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Chi difende l’uso degli animali nella ricerca sostiene che gli animali non umani sono abbastanza simili agli umani da renderli modelli scientificamente adeguati degli umani, ma abbastanza diversi da rendere moralmente accettabile la sperimentazione su di loro. Oltre alle obiezioni etiche di causare sofferenza ad altre specie senzienti, i problemi inerenti ai modelli animali – incluse le differenze rispetto agli esseri umani sia nelle dimensioni che nella fisiologia, le differenze genetiche e le variazioni negli obiettivi biologici – limitano la capacità dei dati raccolti da un modello animale di essere tradotti alle persone.
Inoltre, quando gli animali sono usati negli studi sulle malattie umane, il modo artificiale in cui la malattia è indotta nell’animale è molto lontano dal modo in cui le malattie si presentano naturalmente nelle persone, limitando il valore di tali studi. La validità, l’utilità, la spesa e l’etica degli esperimenti scientifici che si basano su modelli animali sono sempre più messi in discussione – non solo dai sostenitori degli animali, ma da quelli della comunità scientifica – ed è per questo che è essenziale per i ricercatori sviluppare e utilizzare modelli che riflettono meglio la biologia umana e ci danno la migliore possibilità possibile di migliorare la salute umana e il benessere.
La seguente sezione descrive sia le alternative tradizionali che quelle all’avanguardia che promettono di ridurre, perfezionare e infine sostituire l’uso degli animali nella scienza.
Cultura cellulare in vitro
La cultura cellulare si riferisce alla crescita di cellule rimosse da un animale o da una pianta in un ambiente artificiale appropriato contenente componenti essenziali come nutrienti, fattori di crescita e gas. La coltura cellulare può essere usata per studi sulla normale funzione cellulare, nello screening e nello sviluppo di farmaci, e per la produzione di composti biologici come le proteine terapeutiche. Le cellule in coltura sono più facili da manipolare molecolarmente, più veloci, più economiche e più riproducibili dei modelli animali. Inoltre, le cellule umane possono essere studiate in vitro e offrono il potenziale per ridurre l’uso di animali in diverse aree di studio.
Molti diversi tipi di cellule sono disponibili per essere utilizzati nella ricerca, comprese le linee cellulari stabilite e le cellule staminali. Poiché le cellule staminali hanno la capacità di differenziarsi in molti tipi diversi di cellule, i ricercatori sono entusiasti del loro utilizzo come modelli di ricerca. Le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) stanno diventando uno strumento molto prezioso in laboratorio, poiché i progressi nelle tecniche cellulari stanno permettendo ai ricercatori di raccogliere cellule del corpo adulto dalle persone, riprogrammarle in uno stato simile alle cellule staminali embrionali e infine differenziare le cellule in un tipo di cellula di interesse. Queste cellule sono già utilizzate nello sviluppo di farmaci e nella modellazione di malattie. Poiché possono essere derivate da pazienti con diverse malattie, le iPSC stanno giocando un ruolo importante nella medicina personalizzata.
Molti studi si basano su cellule coltivate su piatti di plastica in un monostrato piatto, mentre altri cercano di studiare le cellule in tre dimensioni per imitare meglio lo scenario in vivo.
“Organoidi”
I progressi nella biologia delle cellule staminali hanno facilitato la generazione di modelli complessi chiamati “organoidi”, organi in vitro in miniatura che imitano alcune delle strutture e funzioni degli organi reali. Questi modelli si formano quando le cellule si auto-assemblano e si organizzano in complesse strutture 3-D. Gli organoidi possono essere usati come modelli di malattie, in studi di tossicologia e scoperta di farmaci, e in studi sullo sviluppo degli organi, tra le altre aree di ricerca. Molti organoidi sono già stati generati, tra cui il rene, il fegato, il cuore e il polmone.
“Organs-on-chips”
Altri modelli sviluppati per simulare la funzionalità a livello di tessuto e di organo sono “organs-on-chips”, dispositivi microfluidici di coltura cellulare con canali rivestiti da cellule vive. Sono progettati per imitare l’architettura multicellulare e il microambiente biochimico e meccanico visto in vivo. Questi “mini-organi” contengono cellule coltivate su piattaforme flessibili che permettono loro di cambiare forma e rispondere a spunti fisici in modi non possibili con le tradizionali culture 2-D o 3-D. Tali strumenti possono aiutare i ricercatori a capire meglio le attività genetiche, biochimiche e metaboliche delle cellule nel contesto di tessuti e organi funzionali.
Un certo numero di modelli di organi microingegnerizzati sono già stati generati e continuano ad essere ottimizzati, compresi i modelli di fegato, polmone, rene, intestino, osso, seno, occhio e cervello. La speranza è che tali microsistemi, sviluppati con cellule umane, possano sostituire i costosi e poco predittivi test sugli animali, rendendo il processo di sviluppo dei farmaci e i test tossicologici più accurati e pertinenti all’uomo. Questi modelli potrebbero essere progettati per imitare specifici stati patologici e per studiare lo sviluppo dei tessuti e la fisiologia degli organi, riducendo potenzialmente la necessità di test sugli animali in queste e altre aree di ricerca.
“Human-on-a-Chip”
La Food and Drug Administration (FDA) ha recentemente collaborato con la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e i National Institutes of Health (NIH) per lavorare su un progetto chiamato Human-on-a-Chip. Basandosi sull’approccio descritto sopra per i singoli organi su un chip, l’obiettivo dell’human-on-a-chip è quello di generare un modello in miniatura 3-D che include 10 diversi mini-organi umani collegati insieme per formare un sistema fisiologico. Poiché questi singoli organi sarebbero collegati insieme e funzionerebbero come un intero sistema, l’uomo su un chip avrebbe maggiori probabilità di imitare le attività e i processi biologici del corpo umano. Mentre questo nuovo strumento ha la capacità di rivoluzionare i test tossicologici, può anche essere modificato in modi che faciliterebbero lo studio di diversi stati patologici. La speranza è che questo strumento, a causa della sua complessità e rilevanza umana, sarà in grado di sostituire o ridurre il numero di animali coinvolti nella sperimentazione.
I primi tentativi di collegare diversi organi insieme sullo stesso chip sono già stati fatti. Anche se ci sono sfide da affrontare, i modelli attuali hanno fornito una forte prova di concetto che le interazioni funzionali tra diversi organi possono essere analizzate in questi dispositivi.
Simulazione al computer
I progressi nella tecnologia della simulazione stanno facilitando lo sviluppo di modelli complessi e sofisticati di sistemi biologici. Oltre a modellare eventi nella scienza che già comprendiamo e per i quali abbiamo raccolto dati, i simulatori fanno progredire la nostra comprensione permettendoci di testare nuove idee e provare diverse condizioni sperimentali. La simulazione può servire come alternativa alla scienza sperimentale tradizionale e ha l’ulteriore vantaggio che gli esperimenti che potrebbero essere poco pratici o troppo costosi da eseguire tradizionalmente possono essere fatti usando la tecnologia della simulazione.
Studi di autopsia e studio di campioni post mortem
Le autopsie sono procedure mediche eseguite da medici in cui il corpo di un individuo viene esaminato a fondo dopo la morte. Oltre ad acquisire informazioni sulla causa e sul modo della morte di un individuo, si possono anche raccogliere molte informazioni su malattie e lesioni. Durante la procedura, i medici possono determinare la causa della morte di un individuo, imparare come una malattia progredisce e se trattamenti specifici per le malattie sono stati efficaci e raccogliere campioni di tessuti e fluidi corporei per ulteriori studi.
Studi epidemiologici
L’epidemiologia è un campo di ricerca focalizzato sullo studio dell’incidenza, distribuzione e controllo delle malattie in una popolazione, permettendo agli scienziati di capire meglio come, quando e dove le malattie si verificano. Gli epidemiologi giocano un ruolo importante nell’avanzamento della scienza e nel miglioramento della salute e del benessere umano, perché le loro indagini sulle cause delle malattie e di altri problemi di salute umana possono prevenire la diffusione delle malattie e impedire che i problemi di salute pubblica si ripetano. Uno dei lavori importanti di un epidemiologo è cercare di determinare i fattori di rischio (per esempio fattori ambientali e di stile di vita) associati alla malattia, così come i fattori che possono aiutare a proteggere dalla malattia.
Gli studi epidemiologici hanno dimostrato la relazione tra fumo e cancro e hanno svelato l’associazione tra esposizione chimica e malattia nel settore professionale. Sebbene gli studi epidemiologici non provino che specifici fattori di rischio causino effettivamente la malattia in esame, essi mostrano la correlazione di specifici fattori di rischio con l’incidenza della malattia.
Immagini non invasive
L’uso di tecnologie mediche che forniscono immagini del corpo, compresa la risonanza magnetica (MRI), la tomografia computerizzata (CT) e gli ultrasuoni, hanno notevolmente aumentato la nostra comprensione di come funziona il corpo e svolgono un ruolo importante nella medicina diagnostica. L’uso di queste tecniche può servire come alternativa sostitutiva, in quanto dati significativi possono essere derivati direttamente dalle popolazioni di pazienti.
Anche se NAVS crede che l’obiettivo generale delle 3R sia la sostituzione dell’uso degli animali, le tecniche di imaging possono anche giocare un ruolo importante nella riduzione e nel perfezionamento dell’uso degli animali nella sperimentazione. Per esempio, se si osserva la progressione della malattia in un modello animale, i ricercatori possono sacrificare gli animali ogni settimana per raccogliere dati. Ma se invece si usa l’imaging, possono eseguire studi seriali sullo stesso animale e monitorare gli animali nel corso della loro vita, riducendo significativamente il numero di animali utilizzati. L’imaging può anche servire come alternativa di perfezionamento, permettendo di eseguire meno procedure invasive.
Microdosing
Le prove cliniche di “fase zero”, note anche come microdosing, sono un approccio che può ridurre il numero di farmaci che passano attraverso i test di sicurezza e tossicologia negli animali, il che ridurrebbe il numero di animali usati nei test.
Negli studi di fase zero, un numero molto piccolo di volontari umani, una o due persone, riceverebbe una quantità molto bassa di un nuovo farmaco, una dose così bassa da non produrre un effetto farmacologico o una reazione avversa. Da questi studi, il destino del composto nel corpo umano, comprese le informazioni su come il corpo assorbe, distribuisce e metabolizza il farmaco, può essere determinato. Poiché la microdose del nuovo composto è così bassa, il rischio per il volontario umano è molto piccolo. Questo tipo di paradigma di test ha un grande potenziale per ridurre sostanzialmente il numero di animali usati negli studi di sicurezza, farmacologici e di tossicità dei nuovi composti, perché se un nuovo composto non ha un effetto desiderato negli esseri umani, allora il composto non dovrebbe essere sottoposto a ulteriori studi di sicurezza negli animali.