Ratón como modelo de experimentación en Biomedicina

Miguel Garcia-Gonzalez
Investigador del IDIS-CHUS
15 Octubre, 2012.
La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Índice
Modelos Animales en Experimentación Biomédica:
- Importancia
- Por qué se utilizan
- Qué modelos de experimentación Biomédica
éxisten
- Ejemplos y características más importantes de los
modelos más utilizados (ratón y rata) o de actualidad
(pez cebra)
- Cuándo son utilizados
- A quién y cómo interesa utilizarlos
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
A través de la historia los científicos
han resuelto problemas médicos de gran
magnitud, desarrollado nuevas técnicas y
nuevas tecnologías, han curado
enfermedades, …, y todo ello utilizando
animales en investigación biomédica!
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¿Cómo la investigación con animales ha
ayudado a usted y a su familia?
• Generación de vacunas contra la poliomielitis, la difteria, las
paperas, el sarampión, la rubéola, tos ferina y la hepatitis.
• Tratamientos para el asma, quemaduras severas, diabetes
juvenil, leucemia, enfermedades del recién nacido y de nacimientos
prematuros.
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•
Prevención y tratamiento de defectos congénitos.
•
Antibióticos para una variedad de infecciones bacterianas.
•
La microcirugía para volver a unir miembros cortados.
•
Remedios para las intoxicaciones infantiles.
•
Tratamiento de la epilepsia, fibrosis quística, …
•
Trasplantes de órganos.
•
Corrección de defectos congénitos del corazón.
¿Cómo estaríamos ahora si no
investigáramos con Animales?
• La polio podría matar o lisiar a miles de niños y adultos cada año,
al no estar vacunados .
• Más de un millón de españoles diabéticos insulino-dependientes
estarían muertos ahora.
• Casi diez millones de españoles estarían en riesgo de muerte por
ataques cardíacos, accidentes cerebrovasculares o insuficiencia renal
- porque no habría ningún medicamento para combatir la presión
arterial alta.
• La quimioterapia no existiría- y no se podría salvar al 70 por
ciento de los niños que ahora sobreviven con leucemia linfocítica
aguda.
• Las personas con discapacidad por ictus o lesiones de médula
espinal no podrían beneficiarse de las técnicas de rehabilitación.
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¿Cómo estaríamos ahora si se investigara
con Animales ?
• 200.000 españoles estarían ciegos en al menos un ojo – y no
habría ninguna cirugía para corregir las cataratas.
• Los recién nacidos que desarrollan ictericia cada año contraerían
parálisis cerebral, ahora puede prevenirse a través de la fototerapia.
•
No habría diálisis renal.
• La cirugía de cualquier tipo sería rara - y extremadamente
dolorosa - porque no habría ninguna anestesia.
•
La viruela, que se ha erradicado, seguiría latente.
• Millones de perros, gatos, otras mascotas y animales de granja
hubiesen muerto de ántrax, moquillo, parvovirus canino, leucemia
felina, rabia y más de 200 otras enfermedades prevenibles hoy en
día.
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Muchos de nuestros hijos no han oído
hablar, y mucho menos conocen, muchas de
las enfermedades que nuestros ancestros
han sufrido de primera mano. ¿Por qué?
Porque han sido erradicadas o
pueden ser controladas gracias a la
experimentación con animales.
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Ejemplo 1: Poliomielitis (Polio)
• Desde el lanzamiento de la Iniciativa para la Erradicación de la
Poliomielitis en 1988 por la Organización Mundial de la Salud
(OMS), el número de casos ha disminuido en un 99,8%, de
una estimación de 350 000 casos en 1988 a 483 en 2001. En
el mismo período de tiempo, el número de polio países
infectados se redujo desde 125 hasta 10.
• En 1994, la Organización Mundial de la Salud (OMS),
CERTIFICÓ LIBRE DE PIELOMIELITIS la Región de las
Américas (36 países), seguida en 2000 por la Región del
Pacífico Occidental de la OMS (37 países y regiones, incluida
China) y la Región Europea de la OMS (51 países) en junio de
2002. Ampliamente endémica en los cinco continentes, en
1988, la poliomielitis se encuentra ahora sólo en algunas
partes de África y Asia meridional.
Fuente: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs114/en/
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Ejemplo 2: la lepra
• Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), en los
últimos quince años, unos 11 millones de enfermos de lepra
se han curado. La tasa de prevalencia de la enfermedad ha
disminuido en un 85% y la lepra ha sido eliminada de 98
países.
• Eliminación de la lepra como problema de salud pública se
define como una tasa de prevalencia a nivel mundial de
menos de un caso por cada 10 000 personas. Una vez logrado
esto, se reducirá la transmisión y finalmente se detendrá. Las
futuras generaciones no contraerán la enfermedad.
Fuente: http://www.who.int/inf-fs/en/fact101.html
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Ejemplo 3: la viruela
• El 08 de mayo 1980 los delegados a la Asamblea Mundial de
la Salud, en representación de los 155 Estados Miembros de
la Organización Mundial de la Salud, aceptó por unanimidad
las conclusiones de la Comisión Mundial para la Certificación
de la Erradicación de la Viruela (World Health Organization,
1980), sabiendo que:
– La erradicación de la viruela se había logrado en todo el mundo.
– No hubo pruebas de que la viruela volvería como una
enfermedad endémica.
Fuente: La viruela y su erradicación, la OMS, 1988
(http://www.who.int/emc/diseases/smallpox/Smallpoxeradication.html)
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¿Por qué los animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Los órganos y sistemas del cuerpo son similares a los
seres humanos y otros animales
• Susceptible a las mismas enfermedades que afectan a
los seres humanos-los seres humanos y los animales
comparten algunas de las mismas enfermedades,
incluyendo muchos tipos de cáncer, diabetes y
enfermedades del corazón
Ej: La polidactilia en el hombre, el ratón y el pollo
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¿Por qué los animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Los órganos y sistemas del cuerpo son similares a los
seres humanos y otros animales
• Susceptible a las mismas enfermedades que afectan a
los seres humanos-los seres humanos y los animales
comparten algunas de las mismas enfermedades,
incluyendo muchos tipos de cáncer, diabetes y
enfermedades del corazón
• Corto periodo de vida permite a los animales que se
estudiará a lo largo de toda su vida
• Medio Ambiente fácilmente controlable para mantener
las variables experimentales a un mínimo
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¿Qué animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Los ratones de laboratorio son utilizados en investigación
más a menudo que cualquier otra especie animal:
– Casi 20 millones de roedores son criados para la investigación al año.
– Los ratones se usan para estudios de cáncer, envejecimiento, SIDA, la
inmunología y la genética. También se utilizan para aprender y perfeccionar las
técnicas de transferencia de embriones en los seres humanos y las especies de
animales domésticos y en peligro.
• Estos ratones, además de otros roedores, tales como ratas y
hámsters, constituyen más del 90% del número total de animales
utilizados; y:
– Su pequeño tamaño y bajo coste los hace ideales la experimentación de
laboratorio.
– Además, los científicos pueden criar diferentes cepas de ratones con deficiencias
genéticas naturales para lograr modelos específicos de enfermedades humanas.
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¿Qué animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Otras especies animales, incluyendo perros, gatos, conejos,
animales de granja, peces, ranas, aves, primates no humanos, y
muchos otros, forman el otro 10% de los animales utilizados en la
investigación.
– Según el USDA, alrededor de 70.000 perros, 23.000 gatos y 49.000 primates
fueron utilizados para la investigación entre 10/01/2000 y 30/09/2001.
– En la mayoría de los casos, estos animales son criados específicamente para
fines de investigación y se compran a criadores de animales.
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¿Qué animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Modelos Mamíferos:
Ratón
Rata
• Modelos NO-Mamíferos:
S. cerevisiae (Levadura)
S. pombe (Levadura de fisión)
Neurospora (hongo filamentoso)
D. discoideum (amebas sociales)
C. elegans (gusano redondo)
Daphnia (pulgas de agua)
D. melanogaster (mosca de la fruta)
D. rerio (pez cebra)
Xenopus (rana)
Gallus (Gallo)
• Otros Organismos:
Arabidopsis
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
• Es muy fácil de modificar genéticamente
• Existen líneas puras o congenicas que ofrecen
robusted en los resultados
• Se utilizan generalmente para:
– Determinar la función de genes.
– Sirve como modelo de enfermedades humanas para:
•
Entender el mecanismo de la enfermedad: en el desarrollo, bioquímicos, fisiológicos,
conductuales cáncer, etc
• Para poner a prueba enfoques terapéuticos
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
• Transgénicos: Introducción de gen extraño o alterada.
Sobreexpresión, expresión errónea, dominante-negativa,
Alelo normal también presente (producto a partir de dos
alelos). Determina:
(a) función de las proteínas
(b) qué secuencias de ADN que son importantes para
la regulación de la transcripción del gen
(c) Rescate génico, la terapia génica
• knockout: Reemplazar normal con alelo mutante
Gene knock-out - extirpación de una parte o un conjunto de
genes
No alelo normal, - producto del alelo manipulados sólo
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ventajas y caracteristicas de los Ratones Transgénicos:
• Su aplicación: estudios de efectos "dominantes":
– Sobre expresión
– "Knock-down“
• Integración aleatoria de ADN exógeno
• Entre 10-30% de los huevos inyectados produce descendencia
transgénica.
• Las múltiples copias se insertan en forma de tándem
• Estudio funcional in vivo utilizando mutaciones dominantes
• Se pueden generar células con distintos tipos de marcadores
específicos
• Estudios in vivo sobre la regulación de genes: segmento clonado y
promotor del gen reporter (lacZ, CAT, GFP).
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ventajas y caracteristicas de los Ratones Transgénicos:
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ventajas y caracteristicas de los Ratones Knockout:
• Inactivación selectiva de un gen mediante la sustitución
por un mutante en un organismo de otra manera normal
• Recombinación homóloga: la recombinación entre el ADN
exógeno y su homóloga sitio cromosómico en las madre
embrionarias (ES) de células
• Tipos:
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•
knock-out convencional
•
knock-in/remplazamiento
•
knock-out tejido específico
•
knock-out inducible: tissue-specific with temporal control
Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
• Los alelos mutantes se introducen en células
madre Embrionarias(ES)
• La recombinación No-homóloga es 100010,000 veces más frecuente que la
recombinación homóloga: selección positiva y
negativa son necesarios.
• Células madre embrionarias que contienen el
gen diana se transfieren embriones de ratón
para generar quimeras.
• Los ratones quiméricos son criados para
producir heterocigotos mutantes
• Mutantes heterocigotos se cruzan para
generar homocigotos mutantes
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Modelo knock-in para la epidermólisis ampollosa simple
(EBS)
La formación de ampollas se indujo en la pata derecha con el tratamiento tópico de un inductor
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Modelo inducible para la Poliquistosis Renal Humana
Inducible tejido específico
Riñón
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Tejido vascular
Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Modelo inducible para la Poliquistosis Renal Humana
Inducible en el tiempo y tejido específico
30 días después
Tinción X-gal
30 días después
Tinción X-gal
Nacimiento
P0-------P8
Nacimiento
25
P10
Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ratones mutantes espontáneos
Rc mouse – Perdida de cabello- MPZL3 novel Immunoglobulin V-type
domain cell adhesion protein
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ratones clonados
Li J, Greco V et al, PNAS USA. 2007. 104:2738-2743.
Howard Hughes Medical Institute and The Rockefeller University
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Ratón como modelo de experimentación
en Biomedicina
Ratones clonados
Li J, Greco V et al, PNAS USA. 2007. 104:2738-2743.
Howard Hughes Medical Institute and The Rockefeller University
epidermis
KSCs
sebaceous
gland
KSC
Clonado de Células
de la piel
nucleus
from KSC
enucleated
oocyte
oocyte nucleus
discarded
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cloned mouse
Rata como modelo de experimentación
en Biomedicina
• Se han utilizado en muchos estudios experimentales,
principalmente relacionado con temas de salud y medicina (genética,
estudio de enfermedades, efectos de drogas).
• Las ratas de laboratorio han demostrado su valía en los estudios
psicológicos del aprendizaje y otros procesos mentales.
•
La importancia histórica de esta especie para la investigación
científica se refleja en la cantidad de literatura sobre el mismo,
aproximadamente 50% más que en los ratones, aunque el más
utilizado en los últimos años sea el ratón.
• Ratas domésticas difieren de las ratas silvestres de muchas maneras:
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–
Son más tranquilos y menos propensos a morder,
–
pueden tolerar un mayor hacinamiento
–
se reproducen antes y producen más descendencia
–
y sus cerebros, hígados, riñones, glándulas suprarrenales, y los corazones son más pequeños.
Rata como modelo de experimentación
en Biomedicina
• Las cepas de ratas son generalmente no transgénicas
debido a que las técnicas knockout y embrionarias de células madre
de ratones son relativamente difíciles en ratas.
• Esto es una desventaja para muchos investigadores, que consideran
muchos aspectos del comportamiento y la fisiología de las ratas como
más relevante para los humanos y más fáciles de observar que en los
ratones.
• En 2003, se logró clonar ratas de laboratorio dos por transferencia
nuclear.
• Los científicos han criado muchas cepas o "líneas" de las ratas:
– La mayoría se derivan de la rata Wistar albina, que todavía se usa ampliamente.
– Otras cepas comunes son los Sprague Dawley, Fischer 344, [2] Las cepas albinas
Holtzman, el Long-Evans, y Lister ratas negras con capucha.
– Cepas puras también disponibles pero no son utilizadas tan comúnmente como los
ratones.
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Pez Cebra como modelo de
experimentación en Biomedicina
• Pequeño tamaño, cientos de embriones por
puesta y rápido desarrollo
• Costes reducidos
• Embriones trasparentes, fácil observación
del fenotipo
• Es un vertebrado, gran similitud genómica y
proteómica con el ser humano
• Menores restricciones éticas
• Más de 6000 publicaciones en PubMed
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Pez Cebra como modelo de
experimentación en Biomedicina
Modelos:
Renal
Cancer
Vascular
(…) y aumentando
Tipos:
•Morfolino (Knock-down)
• Contrucción genética
(Sobreexpresión)
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¿Cuándo los animales son Utilizados
en Biomedicina?
• Tras una búsqueda bibliográfica y la comparación de los
datos en investigaciones previas;
• Siguiendo las simulaciones por ordenador del modelo y de células
y / o de la investigación de cultivo de tejidos;
• Siguiendo un protocolo de animales aprobado por el CEIC;
• Tras una amplia formación y educación en el manejo, cuidado y
uso de animales;
• pero, antes de la prueba clínica en humanos.
Recursos: www. iacuc.org; ALAT Manual de Capacitación, página 10; www.fbresearch.org /
education / laws.htm
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¿A Quién le importa los animales que
son Utilizados en Biomedicina?
• Las instituciones de investigación, científicos, personal de cuidado
de animales, organismos gubernamentales, organizaciones
científicas, e incluso los pacientes reconocen que los animales son
esenciales para nuestra continua búsqueda de avances médicos, y
estos animales deben recibir la máxima atención y respeto
• El bienestar de los animales utilizados en la investigación biomédica
es de suma importancia para todos los involucrados en la
investigación.
• La calidad de la investigación es proporcional a la calidad del
cuidado que reciben los animales de investigación; cuidado de los
animales equivale a excelentes resultados de investigación.
• Animales de laboratorio y profesionales de la investigación creen
que el uso de los animales es un privilegio, por lo tanto, los animales
deben ser tratados con respeto, cuidado y responsabilidad.
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La Importancia de los Modelos Animales
en Experimentación Biomédica
Con
el conocimiento ganado por
medio de la experimentación con
animales,
podemos
continuar
mejorando la vida no solo de
HUMANOS sino que también de
nuestras mascotas, la fauna salvaje, y
otros animales.
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Grupo de Genética y Biología del Desarrollo de las
Enfermedades Renales
email: miguel.garcia.gonzalez@sergas.es
tlf: 981950904
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