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Los que defienden el uso de animales en la investigación sostienen que los animales no humanos son lo suficientemente parecidos a los humanos como para convertirlos en modelos científicamente adecuados de los mismos, pero lo suficientemente diferentes como para que sea moralmente aceptable experimentar con ellos. Además de las objeciones éticas a causar sufrimiento a otras especies sensibles, los problemas inherentes a los modelos animales -incluyendo las diferencias con los humanos tanto en tamaño como en fisiología, las diferencias genéticas y las variaciones en los objetivos biológicos- limitan la capacidad de los datos recogidos en un modelo animal para ser trasladados a las personas.
Además, cuando se utilizan animales en estudios de enfermedades humanas, la forma artificial en que se induce la enfermedad en el animal está muy alejada de la forma en que las enfermedades ocurren naturalmente en las personas, lo que limita el valor de dichos estudios. La validez, la utilidad, el gasto y la ética de los experimentos científicos que se basan en modelos animales son cada vez más cuestionados -no sólo por los defensores de los animales, sino por los miembros de la comunidad científica-, por lo que es esencial que los investigadores desarrollen y utilicen modelos que reflejen mejor la biología humana y nos den la mejor oportunidad posible de mejorar la salud y el bienestar de las personas.
La siguiente sección describe tanto las alternativas tradicionales como las de vanguardia que prometen reducir, perfeccionar y, en última instancia, sustituir el uso de animales en la ciencia.
Cultivo celular in vitro
El cultivo celular se refiere al crecimiento de células extraídas de un animal o una planta en un entorno artificial apropiado que contiene componentes esenciales como nutrientes, factores de crecimiento y gases. El cultivo celular puede utilizarse para estudiar la función normal de las células, en el cribado y desarrollo de fármacos, y para la producción de compuestos biológicos como las proteínas terapéuticas. Las células en cultivo son más fáciles de manipular molecularmente, más rápidas, más baratas y más reproducibles que los modelos animales. Y lo que es más importante, las células humanas pueden estudiarse in vitro y ofrecen la posibilidad de reducir el uso de animales en varias áreas de estudio.
Hay muchos tipos diferentes de células disponibles para su uso en la investigación, incluyendo líneas celulares establecidas y células madre. Dado que las células madre tienen la capacidad de diferenciarse en muchos tipos diferentes de células, los investigadores están entusiasmados con su uso como modelos de investigación. Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) se están convirtiendo en una herramienta muy valiosa en el laboratorio, ya que los avances en las técnicas celulares están permitiendo a los investigadores recoger células corporales adultas de las personas, reprogramarlas a un estado similar al de las células madre embrionarias y, finalmente, diferenciar las células a un tipo celular de interés. Estas células ya se utilizan en el desarrollo de fármacos y en el modelado de enfermedades. Dado que pueden proceder de pacientes con diferentes enfermedades, las iPSC están desempeñando un papel importante en la medicina personalizada.
Muchos estudios se basan en células cultivadas en placas de plástico en una monocapa plana, mientras que otros intentan estudiar las células en tres dimensiones para imitar mejor el escenario in vivo.
«Organoides»
Los avances en la biología de las células madre han facilitado la generación de modelos complejos llamados «organoides», órganos en miniatura in vitro que imitan parte de la estructura y la función de los órganos reales. Estos modelos se forman cuando las células se autoensamblan y organizan en complejas estructuras tridimensionales. Los organoides pueden utilizarse como modelos de enfermedades, en estudios de toxicología y descubrimiento de fármacos, y en estudios de desarrollo de órganos, entre otras áreas de investigación. Ya se han generado muchos organoides, como el riñón, el hígado, el corazón y el pulmón.
«Órganos en chips»
Otros modelos desarrollados para simular la funcionalidad de los tejidos y los órganos son los «órganos en chips», dispositivos microfluídicos de cultivo celular con canales revestidos de células vivas. Están diseñados para imitar la arquitectura multicelular y el microambiente bioquímico y mecánico que se observa in vivo. Estos «mini-órganos» contienen células cultivadas en plataformas flexibles que les permiten cambiar de forma y responder a las señales físicas de un modo que no es posible con los cultivos tradicionales en dos o tres dimensiones. Estas herramientas pueden ayudar a los investigadores a comprender mejor las actividades genéticas, bioquímicas y metabólicas de las células en el contexto de los tejidos y órganos funcionales.
Ya se han generado varios modelos de órganos de microingeniería y se siguen optimizando, entre ellos modelos de hígado, pulmón, riñón, intestino, hueso, mama, ojo y cerebro. Se espera que estos microsistemas, desarrollados con células humanas, puedan sustituir a las costosas y poco predictivas pruebas con animales, haciendo que el proceso de desarrollo de fármacos y las pruebas toxicológicas sean más precisas y relevantes para el ser humano. Estos modelos podrían diseñarse para imitar estados de enfermedad específicos y estudiar el desarrollo de los tejidos y la fisiología de los órganos, reduciendo potencialmente la necesidad de realizar pruebas con animales en estas y otras áreas de investigación.
«Human-on-a-Chip»
La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) ha colaborado recientemente con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y los Institutos Nacionales de Salud (NIH) para trabajar en un proyecto denominado Human-on-a-Chip. Basándose en el enfoque descrito anteriormente para los órganos individuales en un chip, el objetivo del Human-on-a-chip es generar un modelo tridimensional en miniatura que incluya 10 miniorganos humanos diferentes conectados entre sí para formar un sistema fisiológico. Dado que estos órganos individuales estarían vinculados entre sí y funcionarían como un sistema completo, el human-on-a-chip tendría más posibilidades de imitar las actividades y procesos biológicos del cuerpo humano. Aunque esta nueva herramienta tiene la capacidad de revolucionar las pruebas de toxicología, también puede modificarse de forma que facilite el estudio de diferentes estados de enfermedad. Se espera que esta herramienta, por su complejidad y relevancia humana, pueda sustituir o reducir el número de animales implicados en la experimentación.
Ya se han realizado los primeros intentos de conectar diferentes órganos en el mismo chip. Aunque quedan retos por delante, los modelos actuales han proporcionado una sólida prueba de concepto de que las interacciones funcionales entre diferentes órganos pueden analizarse en estos dispositivos.
Simulación por ordenador
Los avances en la tecnología de simulación están facilitando el desarrollo de modelos complejos y sofisticados de sistemas biológicos. Además de modelar sucesos de la ciencia que ya entendemos y de los que hemos recogido datos, los simuladores hacen avanzar nuestra comprensión al permitirnos probar nuevas ideas y ensayar diferentes condiciones experimentales. La simulación puede servir como alternativa a la ciencia experimental tradicional y tiene la ventaja añadida de que los experimentos que podrían ser poco prácticos o demasiado caros de realizar tradicionalmente pueden llevarse a cabo utilizando la tecnología de la simulación.
Estudios de autopsia y estudio de especímenes postmortem
Las autopsias son procedimientos médicos realizados por los médicos en los que se examina a fondo el cuerpo de un individuo después de su muerte. Además de adquirir información sobre la causa y la forma de la muerte de un individuo, también se puede recoger una gran cantidad de información sobre enfermedades y lesiones. Durante el procedimiento, los médicos pueden determinar la causa de la muerte de un individuo, aprender cómo progresa una enfermedad y si los tratamientos específicos para las enfermedades han sido eficaces y recoger muestras de tejidos y fluidos corporales para estudios adicionales.
Estudios epidemiológicos
La epidemiología es un campo de investigación centrado en el estudio de la incidencia, la distribución y el control de las enfermedades en una población, lo que permite a los científicos comprender mejor cómo, cuándo y dónde se producen las enfermedades. Los epidemiólogos desempeñan un papel importante en el avance de la ciencia y en la mejora de la salud y el bienestar de las personas, ya que sus investigaciones sobre las causas de las enfermedades y otros problemas de salud humana pueden prevenir la propagación de enfermedades y evitar que los problemas de salud pública se repitan. Uno de los trabajos importantes de un epidemiólogo es tratar de determinar los factores de riesgo (por ejemplo, factores ambientales y de estilo de vida) asociados a la enfermedad, así como los factores que pueden ayudar a proteger contra la enfermedad.
Los estudios epidemiológicos han demostrado la relación entre el tabaquismo y el cáncer y han desvelado la asociación entre la exposición a sustancias químicas y la enfermedad en el sector laboral. Aunque los estudios epidemiológicos no demuestran que los factores de riesgo específicos causen realmente la enfermedad investigada, sí muestran la correlación de los factores de riesgo específicos con la incidencia de la enfermedad.
Imagen no invasiva
El uso de tecnologías médicas que proporcionan imágenes del cuerpo, incluyendo la resonancia magnética (RM), la tomografía computarizada (TC) y la ecografía, han aumentado enormemente nuestra comprensión del funcionamiento del cuerpo y desempeñan un papel importante en la medicina de diagnóstico. El uso de estas técnicas puede servir como alternativa de sustitución, ya que se pueden obtener datos significativos directamente de las poblaciones de pacientes.
Aunque el NAVS cree que el objetivo general de las 3R es la sustitución del uso de animales, las técnicas de imagen también pueden desempeñar un papel importante en la reducción y el perfeccionamiento del uso de animales en la experimentación. Por ejemplo, si se estudia la progresión de una enfermedad en un modelo animal, los investigadores pueden sacrificar animales cada semana para recoger datos. En cambio, si se utilizan imágenes, pueden realizar estudios en serie con el mismo animal y controlar a los animales a lo largo de su vida, lo que reduce considerablemente el número de animales utilizados. La imagen también puede servir como alternativa de refinamiento, permitiendo realizar menos procedimientos invasivos.
Microdosificación
Los ensayos clínicos de «fase cero», también conocidos como microdosificación, son un enfoque que puede reducir el número de fármacos que pasan por pruebas de seguridad y toxicología en animales, lo que reduciría el número de animales utilizados en las pruebas.
En los ensayos de fase cero, un número muy reducido de voluntarios humanos, una o dos personas, recibirían una cantidad muy baja de un nuevo fármaco, una dosis tan baja que no producirá ningún efecto farmacológico ni reacción adversa. A partir de estos estudios, se puede determinar el destino del compuesto en el cuerpo humano, incluyendo información sobre cómo el cuerpo absorbe, distribuye y metaboliza el fármaco. Como la microdosis del nuevo compuesto es tan baja, el riesgo para el voluntario humano es muy pequeño. Este tipo de paradigma de prueba tiene un gran potencial para reducir sustancialmente el número de animales utilizados en los estudios de seguridad, farmacológicos y de toxicidad de los nuevos compuestos, porque si un nuevo compuesto no tiene un efecto deseado en los seres humanos, entonces el compuesto no tendría que someterse a estudios de seguridad adicionales en animales.