PREMIOS NOBEL EN MEDICINA 2007 a Mario Capecchi, Martin Evans, Oliver Smithies por su trabajo sobre células madres y manipulación genética en modelos animales.
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ
FACULTAD CIENCIAS DE LA SALUD
CARRERA DE LABORATORIO CLÍNICO
BIOQUÍMICA TEÓRICA Y PRÁCTICA
PARALELO “B”
Docente: Lic. Jorge
Zambrano
Integrantes:
Vélez Ávila Gemelith Leonela
Véliz Medranda Daryne Marcela
Vera López David Leonardo
Vera Vera María José
Vinces Arteaga Bryan Steeven
Tema:
Premios Nobel en Medicina 2007 a Mario Capecchi, Martin Evans, Oliver Smithies
por su trabajo sobre células madres y manipulación genética en modelos
animales.
Introducción
La medicina científica nace con la observación y la
experimentación en animales. Desde las experiencias de William Harvey, que
comparó el latido cardiaco en distintas especies, los datos obtenidos mediante
experimentos en animales han sido tema permanente de interés científico. Los
modelos animales de enfermedades humanas han sido utilizados desde hace muchos
años en distintas áreas de la investigación, constituyendo uno de los pasos
fundamentales en la biomedicina. Se requieren tanto para proyectos de investigación
como en pruebas diagnósticas y terapéuticas y en los controles de productos
farmacológicos. La Organización Panamericana de la Salud (OPS) expresaba en su
XI Reunión Interamericana de 1980: "los países que han logrado un gran
avance en el control de las enfermedades humanas y animales son aquellos que
han establecido entidades que se dedican al mejor desarrollo de la Ciencia de
los Animales de Laboratorio". Este avance, sin embargo, debe ir asociado
al cumplimiento de normas éticas. En esa línea, la Ciencia de los Animales de
Laboratorio fue creada para ayudar a la comunidad científica a mejorar todos
los aspectos concernientes a la experimentación animal.
Los experimentos con animales tienen su fundamento en
el hecho de considerar a otras especies animales como modelos en miniatura de
los problemas humanos. Se realizan experimentos con animales básicamente en
tres campos: la docencia, la industria y la investigación.
En docencia, las prácticas con animales tienen como
objetivo aprender ciertos procesos fisiológicos, características anatómicas o
adquirir habilidades clínicas y quirúrgicas como forma de entrenamiento.
En la industria, la biotecnología animal ha
experimentado un gran desarrollo en las últimas décadas con el uso de
tecnologías reproductivas, la creación de organismos genéticamente modificados,
la producción masiva de moléculas de interés y la prueba de productos de
consumo para probar que no son dañinos.
En investigación, se han desarrollado modelos de
animales para evaluar enfermedades genéticas humanas y producir drogas o
vacunas, y como fuente donante de células y órganos, así como proteínas
sanguíneas o anticuerpos.
En el presente artículo, junto con mostrar algunos
apuntes sobre el estado de la ciencia, se presenta una reflexión sobre la
controversia ética de la relativa aplicabilidad de los modelos animales para
resolver problemas terapéuticos y de diagnóstico de enfermedades humanas, y la
imposición del ser humano como especie para tratar a los animales como medios,
no como fines.
Objetivo general
Identificar información
acerca de los Premios Nobel 2007 del área de Medicina y Fisiología y el trabajo
presentado acerca de las células madres y manipulación genética de animales por
los científicos Mario Capecchi, Oliver Smithies y Martin Evans.
Objetivos específicos
Investigar sobre los
aportes que realizaron cada uno de estos científicos y su importancia en la
medicina.
Indicar a partir de que
observaciones surge el trabajo ya descrito y en qué se basaron para obtener
estos resultados.
Establecer la importancia
de estos descubrimientos y su aporte en el área de la biotecnología.
Aclarar la relación que
lleva la bioquímica y la biotecnología en este experimento.
Marco teórico
La
academia sueca ha galardonado al ítalo- estadounidense Mario Capecchi, y a los
británicos Oliver Smithies y Sir Martin Evans con el Premio Nobel de medicina y
fisiología del 2007 por sus trabajos sobres células madres y manipulación
genética de los animales. Sus descubrimientos han permitido poner en marcha una
tecnología de una importancia
inmensa para manipular genes en modelos animales, según ha reconocido el
jurado.
La
técnica desarrollada por los científicos premiados forma parte de la rutina
diaria de los laboratorios de investigación biomédica de todo el mundo.
Esta
tecnología permite a los científicos crear ratones con mutaciones en cualquier gen que se desee y
elegir tanto sobre qué gen se quiere actuar como de qué forma alterarlo. Su
aplicación más común consiste en inactivar un gen concreto. La técnica ha sido
crucial para estudiar las funciones de diferentes tipos de genes en ratones y
crear modelos de enfermedades.
Hasta la fecha, se han manipulado con este método más
de 10.000 genes de roedores, aproximadamente la mitad de los que componen su
genoma. Estos tres investigadores sin coincidir en un mismo laboratorio
pusieron en marcha esta esta tecnología con el fin de imitar modelos de
enfermedades humanas en animales siendo así, cada uno de ellos aportó de la
siguiente manera.
Nacido en Verona (Italia) en 1937, Mario Capecchi
tuvo una infancia difícil.. El joven Capecchi tuvo que sobrevivir como
pudo, durmiendo durante años en
orfanatos o en plena calle.
Aquejado de una terrible desnutrición, tuvo que ser
hospitalizado durante casi un año en la ciudad de Reggio Emelia, donde le
encontró su madre después de meses de búsqueda. Tenía nueve años cuando decidieron emigrar a Estados Unidos, la tierra de
su abuela.Allí se establecieron en una comuna, junto a otras familias.
Aunque apenas hablaba inglés y nunca había ido a la escuela, Capecchi comenzó a
dar clases. Gracias a uno de sus tíos, físico, empezó a interesarse por la
ciencia.
Finalmente, se licenció en Física y Química en el
Antioch Collegue (Estados Unidos) en 1961 para conseguir seis años más tarde su
doctorado en Biofísica por la Universidad de Harvard. Su tesis fue dirigida por
James D. Watson, uno de los científicos pioneros en la descripción de la
estructura del ADN.
Comenzó su andadura profesional como profesor en
esta última universidad estadounidense. Desde 1973 está ligado a la Universidad de Utah. Actualmente, trabaja como profesor emérito de Genética y
Biología en este centro, además de dirigir un laboratorio de investigación en
el Instituto Médico Howard Hughes.
Mundialmente distinguido por su contribución a la
creación de una tecnología que permite la creación de ratones con mutaciones en
cualquiera de sus genes, sus diferentes trabajos han sido reconocidos desde el
principio de su carrera. En 1969 recibió el premio de la Sociedad Americana de
Química y en 1971 fue distinguido
como uno de los diez hombres jóvenes más destacados de América. Entre
otros prestigiosos galardones, ha obtenido el Albert Lasker a la investigación
básica médica, el Wolf de Medicina o la medalla nacional de la Ciencia.
Miembro de las Academias de la ciencia de Estados
Unidos y Europa, también recibió en 2001 una distinción por parte de la clínica
madrileña Jiménez Díaz por su contribución al desarrollo de la genética
médica.Según publica la página web de su laboratorio, sus intereses en el campo
de la investigación abarcan el análisis de la genética molecular en ratones, el
desarrollo natural de los mamíferos y la creación de modelos animales para
estudiar enfermedades humanas.
Martin Evans
Evans identificó y aisló
células madre embrionarias(capaces de transformarse en cualquier tipo de
célula que forma el organismo adulto) de embriones tempranos. "Fui el
primero en mantener estas células en cultivos bajo condiciones en las que su
capacidad para diferenciarse se mantiene indefinidamente", relata Evans en
la web de su laboratorio. Las células madre son una de las grandes esperanzas
de la medicina regenerativa actual.
Inicialmente, realizó sus trabajos con células madre procedentes de un
carcinoma de ratón, pero en 1981, de nuevo en la Universidad de
Cambridge, consiguió aislar
células madre de embriones de ratón sanos. El británico y su equipo se
dieron cuenta de que las células podían emplearse para regenerar roedores
fértiles, con mutaciones. Eran los
primeros pasos de los nuevos ratones de laboratorio, que ahora le han
valido el Nobel.
Al rememorar estos inicios, el investigador británico no se olvida de
enumerar a su colaborador Matt Kaufman y a los estudiantes que contribuyeron a
sus investigaciones. Cuando en 2001 recibió el Premio Lasker en investigación
básica (el llamado Nobel americano), mostró una moneda de dos libras, con la leyenda
"apoyado sobre los hombros de gigantes".
"Este lema es un recordatorio de que el progreso de la ciencia es una actividad tan cooperativa como
individual. Yo me he basado en trabajos anteriores y estoy orgulloso de
entrar en la categoría de aquellos que ayudarán a configurar el futuro al haber
proporcionado una base para tanto desarrollo en el futuro".
Oliver Smithies
De vuelta a Wisconsin ejerció como profesor de Genética y Medicina
Genética hasta que en 1988 se trasladó a la Universidad de Chapel Hill, en Carolina del Norte, donde se centró en el estudio de la
hipertensión y la diabetes. Entre los premios que jalonan su carrera destaca
del Premio Wolf en Medicina en el año 2003 y el Premio Albert Lasker que recibió en 2001.
Hace cincuenta años Smithies inventó la electroforesis en gel de
almidón, un descubrimiento que permite a los científicos separar las proteínas
más fácilmente y que revolucionó la manera de trabajar de los genetistas. Unas
décadas más tarde, sin embargo, dio el salto al campo de la biología molecular,
que comenzaba a dar sus primeros pasos.
Es considerado el padre de
la tecnología 'knockout', que ha permitido desactivar a elección de los
científicos diversos genes en ratones y avanzar en el conocimiento de varias
enfermedades humanas. En la actualidad, Smithies está centrado en el estudio de
la hipertensión y otras enfermedades de la sangre.
Dicen de él que sólo tiene otra pasión además de la ciencia: los tres
aeroplanos que posee. Desordenado con los papeles que suelen cubrir su mesa de
trabajo pero extremadamente meticuloso con sus investigaciones, Smithies pensó
que nunca le darían licencia para volar a causa de su daltonismo, pero aún así,
a los 50 años, recién divorciado de su primera esposa, comenzó a dar clases para aprender a volar.
Sin embargo, no fueron sus problemas de visión los que le 'tumbaron' en
el examen médico, sino su elevada tensión arterial y la prueba que demostraba
que su corazón sufría un estrés excesivo durante el ejercicio.
Sin más que decir, la introducción de genes foráneos en el genoma de
embriones de mamífero para crear animales transgénicos es uno de
los adelantos más valiosos de las últimas dos décadas en el área de la
biotecnología. Si bien el término transgénico fue aplicado originalmente al
ratón, con el tiempo su uso se extendió para describir todo animal o planta en
el cual haya sido transferido material genético exógeno. De esta manera, se
puede crear un organismo que adquiere en forma definitiva una información
genética que no le ha llegado por los canales naturales de la evolución. La
expresión de los genes transferidos (transgenes) puede ser ahora analizada en
el tejido apropiado y en el estadío preciso del desarrollo, abriéndose
múltiples posibilidades en el campo de la genética básica y aplicada. Las
técnicas de laboratorio que nos permiten obtener embriones (antes de su
implantación) del tracto reproductivo de una hembra gestante, cultivarlos in
vitro y re-implantarlos en otra hembra receptora existen desde la década de
1950. Estas técnicas constituyen la base sobre la cual se logró la manipulación
genética de los embriones, como ser el desarrollo de quimeras, el trasplante de
núcleos, la transgénesis, los cultivos de células embrionarias pluripotenciales
(conocidas también como células madre totipotentes o células ES, del inglés
embryonic stem cells) y la clonación.
Pero, ¿Por qué los
ratones?
El
potencial de los ratones para la manipulación genética ahora hace que se
prefieran estos a las ratas y a otros roedores, tanto en las pruebas de
seguridad como en la investigación fundamental. Los ratones genéticamente
modificados (GM), transgénicos y knock-out, son ahora valiosas herramientas en
la mayoría de los campos de la investigación médica.
El ratón representa un excelente modelo para la enfermedad humana, porque la organización de su DNA y la forma en la que se expresan sus genes son muy similares a las de los seres humanos. Sus sistemas reproductores y nerviosos son como los de los humanos y padecen muchas de las mismas enfermedades, como el cáncer, la diabetes e incluso la ansiedad. La manipulación de sus genes puede llevarlos a desarrollar otras enfermedades que naturalmente no les afectan y, como resultado, la investigación con ratones ha ayudado a comprender tanto la fisiología humana como las causas de la enfermedad.
Antes de la tecnología genética, los ratones se sometían a cría consanguínea para producir variedades de laboratorio con características particulares. Estas variedades consanguíneas eran genéticamente muy similares, lo que hace que resulten ideales para estudiar los cambios producidos por la modificación genética. A continuación veremos aspectos generales muy importantes que se debieron tomar en cuenta para la realización del galardonado proyecto científico.
El ratón representa un excelente modelo para la enfermedad humana, porque la organización de su DNA y la forma en la que se expresan sus genes son muy similares a las de los seres humanos. Sus sistemas reproductores y nerviosos son como los de los humanos y padecen muchas de las mismas enfermedades, como el cáncer, la diabetes e incluso la ansiedad. La manipulación de sus genes puede llevarlos a desarrollar otras enfermedades que naturalmente no les afectan y, como resultado, la investigación con ratones ha ayudado a comprender tanto la fisiología humana como las causas de la enfermedad.
Antes de la tecnología genética, los ratones se sometían a cría consanguínea para producir variedades de laboratorio con características particulares. Estas variedades consanguíneas eran genéticamente muy similares, lo que hace que resulten ideales para estudiar los cambios producidos por la modificación genética. A continuación veremos aspectos generales muy importantes que se debieron tomar en cuenta para la realización del galardonado proyecto científico.
Obtención de
embriones y superovulación
Hay varios factores a tener en cuenta
antes de comenzar a trabajar manipulando embriones de ratón. Con respecto a la
elección de una buena línea consanguínea, la misma debe presentar óvulos
resistentes a la manipulación y en el caso de utilizar superovulación, será
necesario contar con una línea que responda bien al tratamiento hormonal. Una
de las líneas más utilizadas para la producción de ratones transgénicos por
microinyección de ADN Existen otras consideraciones de orden genético a la hora
de elegir la línea donante de embriones, ya que será el fondo (del inglés
background) genético sobre el cual se expresará el transgén. En el caso de
poder utilizar embriones consanguíneos (la hembra donante de óvulos y el macho
de la misma línea) para la introducción del transgén tendremos como ventaja que
los ratones transgénicos serán coisogénicos con respecto a la línea
consanguínea y sino se puede proceder a la generación de una línea congénica
asistida por marcadores genéticos. La superovulación es una práctica muy útil y
extendida entre los laboratorios de producción de transgénicos. Mientras que
por acoplamiento natural podemos obtener en el orden de 5- 10 embriones por
hembra, por medio de la superovulación podemos aumentar ese número hasta 60
embriones por hembra, reduciendo de esta manera la cantidad de hembras
utilizadas.
Transferencia de embriones
Una
vez que hemos mantenido los embriones en cultivo (e inyectado el ADN en el
pronú- cleo), estamos en condiciones de colocarlos en el tracto reproductivo de
una hembra receptora o madre adoptiva (en inglés, foster mother) que ha sido
cruzada con un macho estéril, con el fin de que los embriones se desarrollen a
término. Las hembras receptoras se anestesian y se exteriorizan los oviductos
para proceder con la transferencia. Las consideraciones para elegir este
“vientre sustituto” deben involucrar solamente los aspectos reproductivos y no
los genéticos, ya que estas hembras no aportarán material genético a los recién
nacidos. Las hembras receptoras deben tener un buen funcionamiento reproductivo
y un comportamiento maternal adecuado. Otra consideración a la hora de elegir
la hembra receptora de los embriones es la posibilidad de que el investigador
pueda distinguir (sin genotipar) las crías provenientes del transplante
embrionario de posibles crías naturales de esa hembra. Como veremos más
adelante, esta preocupación está basada en que la cirugía para producir el
macho estéril (vasectomía) puede haber fallado y el macho retiene entonces
cierto nivel de fertilización. Esto se soluciona muy fácilmente con la elección
de un color de pelaje adecuado. Por ejemplo, si los embriones transplantados
son pigmentados, la hembra receptora y el macho vasectomizado deben ser
albinos; si los embriones transplantados son albinos, el macho vasectomizado
debe ser pigmentado
Inducción de pseudopreñez
La
inducción del estado de pseudopreñez es fundamental debido a que los roedores
(y muchos mamíferos), a diferencia de los primates, necesitan el estímulo del
acto sexual para preparar el tracto reproductivo para la implantación de los
embriones. Este estímulo también genera cambios hormonales que alterarán el
ciclo estral de la hembra y llevarán la preñez a término. Cuando tiene lugar
una estimulación sexual exitosa –pero sin posterior implantación de embriones–
se habla de estado de pseudopreñez. Esto es crucial para el éxito del
transplante embrionario, de otra forma los embriones transplantados no se
implantarán y no habrá desarrollo embrionario. La pseudopreñez se puede lograr
por medio del servicio de un macho estéril o a través del uso de aparatos de
masturbación, aunque el servicio natural es mucho .
Microinyección de ADN
La microinyección
directa de fragmentos de ADN clonado en el pronúcleo de un embrión de 24 horas
es el método más utilizado y uno de los más exitosos en la producción de
animales transgénicos. Su principal ventaja es la gran eficiencia en generar
líneas de animales que expresen el gen deseado de una forma predecible, además
de lograr la mayor proporción de integración del transgén a la línea germinal.
Sin embargo, esta técnica tiene la limitante de no poder ser utilizada para
introducir genes en estadíos más avanzados del desarrollo del embrión y de sólo
poder agregar material genético (nunca sustraer o reemplazar). La tecnología de
microinyección de ADN nos permite estudiar muchos aspectos de la biología de la
rata y el ratón además de la función y regulación de los genes.
Para la realización de los ratones transgénicos es
fundamental el uso de células madres ya que con esa técnica es
posible provocar casi cualquier cambio en el ADN de los ratones, lo que permite
a los científicos establecer el papel que determinados genes desempeñan en el
organismo, Capecchi, Smithies y Evans utilizaron este proceso para proseguir
sus estudios en campos distintos.
Importancia de usar modelos animales
En gran medida, gracias a la
investigación en animales los científicos han descubierto maneras de sanar
enfermedades y prolongar la vida humana. Por ejemplo, la creación de vacunas
(poliomielitis), el desarrollo de los trasplantes de órganos, las transfusiones
de sangre, la diálisis para los pacientes de riñón, técnicas quirúrgicas y de
traumatología y el valor terapéutico de las medicinas modernas, que se prueban
primero en animales. Esta investigación ha servido también para conocer el
funcionamiento de los sistemas orgánicos, debido a que existen semejanzas
significativas entre los sistemas fisiológicos de los seres humanos y los de
varias especies animales. Mucho de lo que sabemos sobre el sistema inmune se ha
obtenido de los estudios con los ratones. La investigación con perros ha
proporcionado abundante información sobre el sistema cardiovascular. Nuestras
mejores esperanzas para el desarrollo de prevenciones, tratamientos y curas
para enfermedades como el Alzheimer, el SIDA y el cáncer incluyen también
investigación biomédica utilizando animales.
La transferencia de una enfermedad
de un animal a otro se tiene como la forma más confiable de demostrar que una
enfermedad es causada por un agente infectivo. Este principio fue demostrado
por primera vez en el siglo XIX al inyectar en ratones sangre de vacas
infectadas con ántrax. Se demostró que los ratones subsiguientemente
desarrollaron la enfermedad. Un ejemplo más reciente lo constituyó el
aislamiento del virus de la hepatitis C humano usando chimpancés, a los que se
les transfirió la enfermedad por transfusión de sangre. Se logró aislar una
proteína viral en la sangre del chimpancé que, reaccionando con anticuerpos de
pacientes humanos, sirvió como prueba de diagnóstico.
Para los defensores de animales es
esencial saber cuál es la necesidad de usar modelos animales cuando existen
métodos alternativos, tales como los modelos matemáticos de simulaciones de
computación y los cultivos celulares. Sin embargo, estos procedimientos pueden
servir para reducir el número de animales en experimentación, pero no pueden
predecir con fiabilidad el efecto de un producto químico en los sistemas de
órganos combinados del cuerpo con toda la complejidad requerida; se utilizan
para examinar y determinar el potencial tóxico de una sustancia en fases
iniciales de investigación, reduciendo así el número total de animales
requerido, pero el examen final debe realizarse en un sistema completo y vivo.
La más sofisticada tecnología no puede imitar las complicadas interacciones
entre células, tejidos y órganos que se dan en humanos y animales. Los científicos
deben entender estas interacciones antes de introducir un nuevo tratamiento o
sustancia en el organismo humano.
La mayoría de las enfermedades son
complejas e involucran interacciones dinámicas entre sistemas moleculares y
celulares que influyen el desarrollo del proceso de la enfermedad. Además, los
estudios de la patogénesis de las enfermedades en animales son una parte del
proceso del conocimiento; generalmente, deben ser complementados con estudios
clínicos, epidemiológicos e histológicos en humanos.
Los resultados de la investigación
con modelos animales proporcionan información necesaria para diseñar pruebas
humanas que también deben completarse para la aprobación legal de nuevos
dispositivos, fármacos y procedimientos con carácter terapéutico y de
diagnóstico. Es necesario conocer cómo un nuevo fármaco o procedimiento
afectará a un sistema biológico completo antes de usarlo en humanos. Esto es
crítico, tanto por razones científicas como éticas, para no sobrecargar en
exceso al ser humano. Un ejemplo es que muchos de los experimentos que se
realizan pueden responderse más rápidamente en animales, ya que se usan modelos
con un ciclo reproductivo corto.
En efecto, en los códigos de ética
para la investigación biomédica los ensayos con animales es una obligación.
Según el Código de Nuremberg, cualquier experimento hecho en seres humanos
"debe ser diseñado y basado en los resultados de investigación
animal". La Declaración de Helsinki, adoptada en 1964 por la XIII Asamblea
Médica Mundial y revisada en cinco ocasiones, cita también que la investigación
médica en sujetos humanos "debe estar basada en pruebas de laboratorio
adecuadamente realizadas y en experimentación con animales".
El desarrollo de una nueva medicina
es un proceso largo y complejo. Las pruebas en animales son parte de la
información disponible antes de determinar la seguridad y eficacia en humanos.
Una vez que un fármaco candidato ha sido seleccionado se realizan estudios de
toxicidad para completar la fase preclínica del proceso de desarrollo de un
nuevo medicamento y para cumplir con los requisitos de las regulaciones que
obligan a demostrar que una medicina potencial posee un nivel aceptable de
seguridad y eficacia. Asimismo, se evalúa la toxicología reproductiva en
animales cuando se tiene la intención de administrarla en mujeres en edad
reproductiva. La práctica general en las pruebas de toxicidad es inducir
extratoxicidad en el animal, con el fin de asegurar que la carencia de efectos
no sea debida a defectos en la metodología. Debido a esta estrategia el daño a
los animales es parte integral de la prueba y se considera inevitable.
Generalmente, en las pruebas de toxicidad se les practica eutanasia al final
del experimento. Son estos aspectos de la investigación con animales los que causan
mayor preocupación ética.
También se usan modelos animales
para estudios de biodisponibilidad o sobre el grado o frecuencia con que una
medicina o fármaco es absorbido o se hace disponible en el tejido u órgano del
cuerpo después de ser administrado. Los resultados de pruebas en animales se
usan en combinación con datos sobre la eficacia de una medicina potencial para
decidir si los efectos beneficiosos del tratamiento superan los riesgos de
efectos secundarios adversos y para establecer una dosis segura de uso en
ensayos clínicos con seres humanos. Pueden indicar también efectos secundarios
potenciales que deben monitorearse cuidadosamente.
Importancia del uso de transgénicos como modelos animales de enfermedades humanas en la medicina
En los últimos años, y debido sobre
todo al enorme avance en los conocimientos sobre las bases moleculares de las
enfermedades, ha surgido la necesidad de disponer de modelos genéticamente
definidos, es decir, en los cuales las mutaciones genéticas que predisponen o
participan en el desarrollo de la enfermedad puedan ser controladas. Esta
necesidad, unida al gran avance en tecnología para la manipulación genética en
mamíferos, ha conducido al desarrollo de modelos animales modificados
genéticamente, en su mayoría de origen murino, que recapitulan muchos de los
procesos que tienen lugar en la patología de las enfermedades humanas,
permitiendo estudiar y reproducir los síntomas en formas controladas como nunca
había sido posible antes. Ellos proporcionan una visión más adecuada del
proceso de la enfermedad y permiten obtener mejores modelos experimentales para
desarrollar y ensayar nuevas terapias.
Los modelos animales transgénicos se
usan en la investigación de los mecanismos de patogénesis de enfermedades como
dispositivos de ensayo de posibles compuestos terapéuticos para su tratamiento
y como dispositivos de validación in vivo de tratamientos potenciales. La
transferencia de genes recombinantes a estos organismos (transgénesis),
dirigidos para que se expresen en ciertos tejidos por medio de promotores
específicos, permite generar proteínas recombinantes valiosas para la medicina.
Los organismos transgénicos o
genéticamente modificados son aquellos cuyo genoma tiene un gen añadido o
alterado en sus células, incluyendo las células germinales. La transferencia de
genes se define como la introducción de un fragmento de ADN dentro del genoma
huésped con el propósito de que el ADN extraño contribuya a la síntesis de la
proteína en el organismo huésped. Estos animales se fabrican usando una
construcción transgénica con la secuencia del gen que se piensa introducir. Con
técnicas de ADN recombinante y de micromanipulación o transfección, se
introducen en la célula blanco para que se inserte este nuevo gen al azar en el
genoma celular. Técnicas de modificación genética, entre otras, son las
siguientes: 1) de ADN recombinante que utilizan sistemas de vectores
apropiados; 2) técnicas que suponen la incorporación directa en un organismo de
material genético preparado fuera del organismo incluidas la microinyección, la
macroinyección y la microencapsulación, y 3) de hibridación o fusión celular,
incluyendo la fusión de protoplastos.
Para producir animales transgénicos
usando microinyección se utilizan, generalmente, virus que se inyectan en
huevos no fertilizados con genes recombinantes, integrándolos aleatoriamente a
los cromosomas del huésped en regiones no predecibles. La expresión de los
genes transferidos (transgenes) depende de la función de los sitios de
integración. Normalmente, la transferencia del genoma lleva consigo
construcciones de genes combinadas artificialmente con fragmentos de ADN
consistentes en secuencias reguladoras de codificación de proteínas. La
microinyección y transferencia nuclear del ADN, aplicadas para producir animales
transgénicos, implican la inyección de varios miles de copias del ADN en el
pronúcleo de un cigoto; los cigotos son transferidos a hembras receptoras y los
animales nacidos son examinados para comprobar si los genes inyectados se han
incorporado a la cadena de ADN. Aunque esta técnica es fiable, es también
ineficaz, ya que sólo entre el 1 y el 4% de los cigotos microinyectados son
transgénicos.
Recientemente se ha probado en
algunos laboratorios un método para transferir genes dirigidos hacia un cierto
blanco. Consiste en introducirlos a las células del tronco embrionario y
después inyectarlas a un blastocito para obtener animales quiméricos (en los
que sólo algunas células portan el gen transferido). Después se cruzan los
animales quiméricos y se obtienen ratones transformados con el gen transferido
en todas las células.
La generación de transgénicos
posibilita la producción de biofarmacias vivas o la construcción de modelos
para enfermedades humanas.
Relación de las manipulaciones genéticas en modelos animales con la
bioquímica y biotecnología
La bioquímica y biotecnología intervienen o se relacionan en la manipulación
genética en modelos animales de distintas maneras ya sea el caso de las
enfermedades que se quieran estudiar. También
es posible evaluar las diferencias en el plano molecular entre péptidos y
proteínas naturales y los producidos biotecnológicamente. En esta área los
ratones transgénicos entregan valiosa información acerca de la toxicología e
inmunología de la sustancia en cuestión. Otro aspecto importante dentro de la
inmunología es la hipersensibilidad tardía o alergias.
Tras la publicación de la secuencia
y el análisis de una variedad de ratón en diciembre de 2002 el ratón se
convirtió en el modelo de animal preferido para la mayoría de los experimentos
de laboratorio. El potencial de los ratones para la manipulación genética ahora
hace que se prefieran estos a las ratas y a otros roedores, tanto en las
pruebas de seguridad como en la investigación fundamental. Los ratones genéticamente
modificados (GM), transgénicos y knock-out, son ahora valiosas herramientas en
la mayoría de los campos de la investigación médica.
El ratón representa un excelente
modelo para la enfermedad humana, porque la organización de su DNA y la forma
en la que se expresan sus genes son muy similares a las de los seres humanos.
Sus sistemas reproductores y nerviosos son como los de los humanos y padecen
muchas de las mismas enfermedades, como el cáncer, la diabetes e incluso la
ansiedad. La manipulación de sus genes puede llevarlos a desarrollar otras
enfermedades que naturalmente no les afectan y, como resultado, la
investigación con ratones ha ayudado a comprender tanto la fisiología humana
como las causas de la enfermedad.
¿Qué es un ratón transgénico?
Un ratón transgénico es aquel cuyos
cromosomas han sido alterados, de forma que sus genes contienen ADN extraño.
Estos genes se encuentran en el núcleo de todas las células del cuerpo, por lo
que todas las células del ratón contienen el nuevo ADN. El ADN extraño puede
proceder de cualquier fuente y puede ser humano, de otro animal o de otro
ratón.
El cambio del ADN normalmente hace
que las células adquieran una función, como la producción de una nueva
proteína. Por ejemplo, algunos ratones transgénicos producen proteínas
reconocidas por las células inmunológicas humanas y se pueden utilizar para
modelizar determinados aspectos de una enfermedad. En ocasiones el ADN extraño
puede significar una pérdida, en lugar de la adquisición, de una función, dado
que el nuevo ADN podría interferir en una vía bioquímica o impedir la
producción de una determinada proteína. Los ratones transgénicos son modelos
útiles para entender cómo los genes regulan los procesos en el cuerpo, porque
el efecto que cambia un determinado gen se puede ver en todo el organismo.
También se utilizan para estudiar enfermedades humanas que son causadas por
'errores' en la forma en que el organismo produce determinadas proteínas. Por
ejemplo, en la hemofilia A, el gen crucial codifica una proteína conocida como
factor VIII, necesaria para la coagulación de la sangre.
Uso de los modelos de ratones transgénicos.
Desde hace veinticinco años se ha logrado obtener los primeros ratones
transgénicos mediante transferencia génica por inyección directa de ADN exógeno
en un cigoto obtenido por fecundación in
vitro. A través de uno de los primeros experimentos se obtuvieron
ratones transgénicos gigantes, al inyectar en el pronúcleo de un cigoto el gen
de la rata que codifica para la hormona del crecimiento. Incluso se obtuvieron
también ratones transgénicos gigantes cuando el transgén introducido era el gen
humano que codifica para la hormona de crecimiento.
El ratón es el modelo animal más
usado en la actualidad para el análisis de enfermedades humanas de origen
genético, ya que permite un control adecuado de la base genética del organismo
y de las posibles alteraciones genéticas que acompañan el desarrollo de la
enfermedad. Por tanto, la importancia de estos modelos es enorme para el
estudio in vivo de la función
de ciertos genes en el desarrollo de la enfermedad, para la identificación de
nuevas moléculas diana y para el ensayo preclínico de nuevas terapias dirigidas
a estas moléculas. Su estudio es clave para decidir si una determinada
estrategia terapéutica es efectiva o supone riesgos secundarios en la salud de
los pacientes.
La obtención de modelos genéticamente
controlados permite ensayar la efectividad de diseños experimentales
específicos contra moléculas dianas en animales vivos, mejorando la efectividad
y disminuyendo la toxicidad respecto de las terapias hasta ahora existentes.
Asimismo, se puede estudiar la expresión de genes críticos para cambios
celulares que ocasionan el desarrollo y progreso de determinadas enfermedades.
El ratón se puede manipular en línea
germinal y es posible inactivar genes de modo dirigido para lograr modelos de
enfermedades humanas, sobre todo las que afectan al sistema inmune y al
desarrollo embrionario, también para el estudio del cáncer y enfermedades tan
frecuentes como la diabetes. Actualmente existen unas 1.000 razas de ratones knock-out
(noqueados). Un ratón knock-out es un animal mutante que carece de la
expresión específica de un gen, eliminado por mutación dirigida. Se pueden
conseguir ratones knock-out insertando aleatoriamente un pequeño trozo
de ADN en células madre embrionarias. El ADN inactiva la función del gen donde
se inserta y, junto con algunas secuencias adyacentes transcribibles del ratón,
suministra un sitio-etiqueta único. Luego se recupera esa etiqueta, de modo que
se puede averiguar la identidad del gen inactivado. Por otra parte, en la
técnica de células madre embrionarias totipotenciales, necesaria para crear
ratones knock-out, las únicas células disponibles –hasta muy
recientemente– han sido las de ratón. Si se sustituye un gen normal por otro
alterado, con mutaciones específicas, el ratón resultante recibe el nombre de "knock-in".
La manipulación de células madre
embrionarias ha llevado a la generación de modelos de ratón mutantes que se
asemejan en mucho a trastornos humanos. Ratones knock-out que carecen de
proteínas específicas pueden servir como modelos de enfermedades humanas. Uno
de los primeros genes blanco para generar un animal knock-out fue el que
codifica para el canal del cloro responsable de la fibrosis quística. Estos
ratones han sido muy útiles en el estudio de esta enfermedad. Publicaciones
recientes indican que los antecedentes genéticos del ratón que lleva el gen
mutado influyen en el fenotipo expresado.
Otro de los usos de estos ratones
son los estudios toxicológicos: los ratones son modificados genéticamente para
incrementar su sensibilidad a alguna enfermedad. Se han producido, por ejemplo,
ratones propensos a desarrollar tumores, como el transgénico que expresa el
oncogen pim y los deficientes en p53. La detección de eventos tóxicos se mejora
introduciendo genes que se activan en presencia de un agente tóxico. Por otro
lado, en un ratón pueden introducirse genes humanos que codifican para enzimas
o receptores, para "humanizar" una línea de células o tejidos y, por
lo tanto, aumentar la predicción de los efectos tóxicos en los humanos. Para
estudios de mecanismos de acción, se introducen genes para promover
manifestaciones de toxicidad, como los ratones transgénicos que desarrollan
neoplasia, denominados "oncoratones", que han llegado a patentarse.
En ocasiones, la observación de los cambios en el fenotipo, en ratones
modificados genéticamente, puede llevar al descubrimiento inesperado de genes o
mecanismos responsables de una enfermedad, con manifestaciones similares en el
ser humano. Este fue el caso del gen de la queratina, involucrado en una
enfermedad de la piel denominada "epidermólisis bulosa simplex".
Han sido además una herramienta
importante para estudiar enfermedades inducidas por el medio ambiente, como el
desarrollo del cáncer. La mayor parte de las alteraciones producidas por el
medio recaen en mutaciones específicas de tejidos y, finalmente, en la
aparición de cáncer. Se sabe que determinados factores ambientales, como
ciertos agentes químicos, pueden causar cáncer. Sin embargo, por estudios en
modelos experimentales así como por análisis de resultados derivados de seres
humanos, se observa un fuerte componente genético de la enfermedad. El
componente genético involucra algunos genes que influyen en la susceptibilidad
y la progresión del tumor. El proceso es complejo, ya que implica a un número
grande de eventos y en ellos hay varios genes involucrados. Esto ha impedido
que se conozcan en detalle los mecanismos involucrados en la formación de un
tumor.
Como una alternativa, la metodología
de los animales transgénicos ha ofrecido la posibilidad de alterar la expresión
y la regulación de genes específicos contra un fondo genético constante,
abriendo la posibilidad de responder a preguntas sobre el cáncer en el ámbito
molecular. Se sabe que una simple mutación genética, por sí sola, no es
suficiente para provocar el desarrollo de un tumor, y que se requieren eventos
secundarios, tales como la activación o inducción de genes cooperadores, que
también juegan un papel esencial en el desarrollo del cáncer. Estas preguntas
sólo pueden ser contestadas en el contexto de los animales transgénicos.
Se conocen dos clases de genes que
influyen en la formación de un tumor: los supresores de tumor, que actúan en
forma negativa para controlar el crecimiento celular, y los oncogenes, que funcionan
promoviendo la división celular. Uno de los genes que mejor ha sido estudiado
por técnicas transgénicas es el supresor de tumores p53, cuyo producto parece
estar involucrado en el mantenimiento de la estabilidad genómica.
Aparentemente, p53 actúa como un guardián del genoma e impide que las células
se dividan hasta que haya sido reparado cualquier daño del DNA que esté
presente en el genoma. En una gran variedad de cánceres humanos las
alteraciones genéticas más comúnmente detectadas son mutaciones que inactivan
al gen p53 (80% de todos los tumores). Los ratones que portan un transgen
mutante, defectuoso de p53, son mucho más susceptibles a la formación de
tumores que los animales normales.
Por otro lado, también se han hecho
estudios con el uso de ratones portadores de algunos oncogenes con secuencias
reguladoras que les permiten expresarse en tejidos específicos. Estos ratones
han mostrado ser un modelo valioso para estudiar tanto los aspectos genéticos y
epigenéticos del desarrollo de neoplasias como tumores malignos. Se pueden
investigar las diferentes fases, desde la transformación hiperproliferativa a
la invasiva y metastático, estudiando mutaciones en genes específicos.
Los ratones transgénicos son también
útiles como biosensores, tanto para el estudio de compuestos químicos y drogas
que tengan potencial promotor de tumores (carcinógenos) como para moléculas
supresoras de tumores. Se han generado ratones que carecen de uno o ambos
alelos de genes supresores de tumores (para evaluar la función normal de estos
genes in vivo), altamente
susceptibles al desarrollo de tumores. La iniciación del desarrollo de un tumor
gonadal en ratones que carecen de las copias del gen alfa-inhibina demuestra
que este ensayo también es útil para identificar nuevos genes supresores de
tumor.
Han probado ser útiles como modelos
animales para realizar estudios de prevención de cáncer y terapia en varios
estados de progresión de la enfermedad. Simulan en muchas formas el inicio y
progresión del cáncer en los seres humanos, permitiendo que se realicen
observaciones sobre los efectos de agentes quimiopreventivos y terapéuticos en
varios estados de desarrollo de la enfermedad.
Los ratones transgénicos y knock-outs
han servido también para el estudio del sistema inmune y las enfermedades que
lo afectan. Entre los resultados obtenidos está el avance en el entendimiento
de la tolerancia y la autoinmunidad. Se han desarrollado ratones que sirven
como modelo de investigación del lupus eritematoso sistémico y de un gran
número de enfermedades autoinmunes: articulaciones periféricas y vertebrales,
tracto genital masculino, piel, uñas y corazón. En la actualidad se están
desarrollando modelos transgénicos para estudiar la autoinmunidad inducida por
productos químicos y biológicos exógenos. Asimismo, se ha estudiado el efecto
que tiene la sobreexpresión o eliminación de los mediadores del sistema inmune,
como son las interleucinas y los factores de crecimiento. Esto es
particularmente importante para evaluar el efecto que tienen las citosinas en
el ser humano y su uso como inmunomoduladores. Los modelos animales
proporcionan información sobre la toxicología de estas sustancias, ayudándonos
a entender su mecanismo de acción y a regular sus efectos inmunotóxicos. Por
otro lado, nos permiten evaluar la diferencia entre la administración exógena
de estos inmunomoduladores y su producción endógena en animales transgénicos.
CONCLUSION
Cada
uno de estos investigadores aporto en este trabajo de forma individual ya que
no estuvieron en un mismo laboratorio, Mario Capecchi aporto con sus
conocimientos sobre genética molecular y su investigación sobre el análisis de
la genética molecular en ratones, Martin Evans aporto con sus conocimientos
sobre células madres y su experimento sobre como aislar las células madres de
embriones de ratones sanos y Oliver Smithies aporto con su descubrimiento de
electroforesis en gel de almidón y de la tecnología Knockout que ha permitido
desactivar a elección de los científicos diversos genes en ratones y avanzar en
el conocimiento de varias enfermedades humanas.
El
trabajo surge a partir de que tenían la necesidad, interés de estudiar la
evolución y desarrollo de las enfermedades, usando los ratones ya que su
organización de ADN y la forma en la que
se expresan sus genes son muy similares a los de los seres humanos.
Este acontecimiento es muy importante ya que los modelos de animales
transgénicos se usan en la investigación de los mecanismos de patogénesis de
enfermedades como dispositivos de ensayo posibles compuestos terapéuticos para
su tratamiento y como dispositivos de validación in vivo de tratamientos
potenciales y también se utilizan para el análisis de enfermedades humanas de
origen genético, etc.
La relación que existe entre la bioquímica y la biotecnología en este
experimento es que se estudian las estructuras, composición, función de estos
genes así como también su comportamiento
y evolución ya que mediante varios estudios analíticos se pueden aplicar para
posibles tratamientos de enfermedades su control y como evitarlos en un futuro.
Referencias bibliográficas
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El ratón (GM) | ari.info.
Animalresearch.info. 2017. Available
from:
http://www.animalresearch.info/es/el-diseno-de-la-investigacion/animales-de-investigacion/el-raton-gm/#ref-3
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