Modelos animales para pruebas in vivo (1): establecimiento y clasificación

El importante papel dein vitroLos modelos de detección en el descubrimiento de fármacos son innegables. Al simular las interacciones entre fármacos y biomoléculas, estos modelos proporcionan información preliminar sobre las propiedades fisicoquímicas, las vías metabólicas, las interacciones farmacológicas y la permeabilidad transmembrana de las moléculas candidatas. Estas predicciones no sólo contribuyen a una comprensión más profunda de los mecanismos de acción de los fármacos, sino que también ofrecen una valiosa orientación para futuras investigaciones.en vivopruebas.

Sin embargo, es crucial reconocer las diferencias inherentes entre el ambiente controlado dein vitromodelos y el complejo entorno bioquímico de un organismo vivo. Estas discrepancias pueden surgir de varios factores, incluida la complejidad de los sistemas biológicos, las interacciones intercelulares y las diferentes condiciones fisiológicas entre ellos.in vitroyen vivoajustes.

Debido a estas diferencias, los resultados dein vitroLos ensayos de actividad pueden no reflejar completamente la verdadera eficacia de un fármaco.en vivo. Por lo tanto, mientrasin vitroLos modelos de detección ocupan una posición indispensable en las primeras-etapas del desarrollo de fármacos, no pueden reemplazaren vivopruebas. Las agencias reguladoras de todo el mundo exigen la presentación de informes completosen vivoobtener datos antes de que un nuevo medicamento pueda ser aprobado para su lanzamiento al mercado, garantizando su seguridad y eficacia.

La utilización directa de sujetos humanos para la detección de drogas es claramente poco práctica. Desde un punto de vista ético, la administración de medicamentos insuficientemente validados a humanos plantea riesgos potenciales para la salud y podría erosionar la confianza del público en la industria de desarrollo farmacéutico. Desde una perspectiva económica, los ensayos en humanos requieren una inversión sustancial de recursos y están sujetos a una incertidumbre considerable, lo que impone una presión financiera importante a los proyectos de investigación desde el principio.

En consecuencia, establecer medidas efectivas y factiblesmodelos animalesEvaluar los efectos de los fármacos candidatos en el cuerpo humano y la progresión de la enfermedad se ha convertido en un paso indispensable en el desarrollo de fármacos. Los modelos animales pueden simular la patogénesis y los procesos fisiopatológicos de enfermedades humanas, proporcionando un entorno de prueba que se aproxima más a la condición humana. A través de modelos animales, se puede realizar una evaluación integral de la seguridad, eficacia y propiedades farmacocinéticas de los fármacos candidatos, lo que brindará un sólido respaldo para ensayos clínicos posteriores.

Este artículo se centrará en explorar las aplicaciones y ventajas de los modelos animales en el desarrollo de fármacos, con el objetivo de proporcionar información valiosa para futuras investigaciones. (Debido a limitaciones de extensión, este tema se cubrirá en dos partes. La Parte 1 discutirá el establecimiento y clasificación de modelos animales, mientras que la Parte 2 profundizará en los modelos animales clásicos).

2.1 Intervención química

El establecimiento de modelos animales mediante intervención química implica administrar sustancias químicas específicas a los animales, ya sea mediante inyección o alimentación, para inducir cambios fisiopatológicos específicos. Los aspectos críticos de este método son seleccionar la sustancia química adecuada y la dosis correcta para asegurar la inducción estable y reproducible de alteraciones patológicas dentro del animal.

El modelo de administración MPTP paraenfermedad de parkinsonsirve como un excelente ejemplo. MPTP (1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina) es una neurotoxina que daña selectivamente las neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra, lo que provoca una disminución de los niveles de dopamina e imita las características patológicas de la enfermedad de Parkinson.

El procedimiento específico implica seleccionar la raza animal y la edad apropiadas, como los ratones C57BL/6 de uso común. Posteriormente, se calcula y determina la dosis de MPTP en función del objetivo experimental y del peso corporal del animal. Normalmente, el MPTP se administra mediante inyección intraperitoneal, una vez al día, durante varios días o semanas.

Durante el período de administración, es necesaria una estrecha observación de los cambios de comportamiento del animal, como la coordinación motora y el equilibrio postural, para evaluar el establecimiento del modelo. Además, se pueden emplear ensayos bioquímicos y análisis histológicos para validar aún más las características fisiopatológicas del modelo.

El modelo de enfermedad de Parkinson inducida por MPTP-ofrece varias ventajas: replica eficazmente las características patológicas típicas de la enfermedad de Parkinson, como la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra y la disminución de los niveles de dopamina; el proceso de establecimiento del modelo es relativamente sencillo, operativamente conveniente y rentable-efectivo; y debido a los efectos tóxicos selectivos y específicos del MPTP, el modelo exhibe una alta estabilidad y reproducibilidad.

Sin embargo, el modelo de enfermedad de Parkinson inducida por MPTP-también tiene ciertas limitaciones. Por ejemplo, es posible que no recapitule completamente la compleja patogénesis y la progresión patológica de la enfermedad de Parkinson humana, y el proceso de administración puede inducir ciertos efectos secundarios y reacciones tóxicas. Por lo tanto, es necesaria una evaluación cuidadosa de su aplicabilidad y limitaciones cuando se utiliza este modelo para la investigación de enfermedades y el desarrollo de fármacos.

2.2 Intervención física

Considere el escenario en el que pretendemos estudiar enfermedades causadas por factores físicos externos, como fracturas, esguinces o lesiones inducidas por el ejercicio. Experimentar directamente con humanos no es factible debido a preocupaciones éticas y riesgos importantes. Aquí es donde los modelos animales se vuelven invaluables.

Los métodos de intervención física para establecer modelos animales son diversos, siendo los más comunes la aplicación de fuerza quirúrgica o mecánica. Por ejemplo, en el estudio de la curación de fracturas óseas, los investigadores pueden crear un modelo de fractura en las patas de ratones o ratas. Utilizan instrumentos quirúrgicos especializados para simular el trauma de las fracturas humanas y posteriormente observar el proceso de curación en los animales. Esto puede verse como una simulación en miniatura de un "accidente" en un pequeño escenario, lo que permite observar cómo se recupera el sujeto "herido".

Otro ejemplo implica el estudio de las enfermedades de las válvulas cardíacas. Los investigadores podrían emplear técnicas de cateterismo para simular estenosis valvular o regurgitación en corazones de animales. Mediante una manipulación quirúrgica precisa, se insertan catéteres en el corazón del animal para imitar las lesiones valvulares y se observan cambios posteriores en la función cardíaca. Esto es similar a introducir intencionalmente un mal funcionamiento en una máquina compleja y observar su respuesta.

Estos métodos de intervención física no sólo ayudan a simular diversos estados patológicos, sino que también facilitan la evaluación de la eficacia y seguridad de nuevos fármacos. Por ejemplo, en un modelo de fractura, la administración de un fármaco recientemente desarrollado y la observación de la velocidad y la calidad de la curación ósea pueden proporcionar información valiosa. De manera similar, en un modelo de enfermedad de las válvulas cardíacas, se puede evaluar la capacidad de un nuevo fármaco para mejorar la función cardíaca y reducir las complicaciones.

Además, los métodos de intervención física suelen combinarse con otras técnicas, como la edición de genes y la inducción de fármacos, para simular de forma más completa las enfermedades humanas. Por ejemplo, en la investigación del cáncer, los investigadores podrían utilizar primero la edición de genes para inducir mutaciones genéticas específicas en animales y luego emplear intervenciones físicas (como radiación o inducción química) para desencadenar la formación de tumores.

2.3 Intervención genética

La intervención genética implica modificar los genes de un animal para imitar enfermedades humanas. El núcleo de este método radica en aprovechar tecnologías avanzadas de edición de genes, como CRISPR/Cas9, para alterar con precisión el genoma del animal. Esta tecnología actúa como "tijeras moleculares", capaces de cortar y reemplazar con precisión secuencias de ADN, creando así modelos animales con mutaciones genéticas específicas.

Por ejemplo, si el objetivo es estudiar una enfermedad hereditaria causada por una mutación genética específica, como el trastorno del espectro autista, se puede utilizar la tecnología CRISPR/Cas9 para introducir la mutación idéntica en el genoma de un animal (p. ej., ratones o perros). Estos animales exhibirán características de enfermedades similares a las de los pacientes humanos, lo que proporcionará una plataforma ideal para la investigación.

El modelo canino del trastorno del espectro autista es un ejemplo convincente de un modelo animal de intervención genética exitoso. El equipo de investigación dirigido por el profesor Yongqing Zhang en China introdujo con éxito la mutación del gen Shank3 en perros utilizando la tecnología CRISPR/Cas9, creando un modelo canino con trastorno del espectro autista. Estos perros mutantes replicaron eficazmente las principales manifestaciones clínicas del autismo en humanos, como los déficits sociales, ofreciendo a los científicos una nueva herramienta de investigación para una exploración en profundidad de la patogénesis y las estrategias de tratamiento del autismo.

Al establecer modelos animales mediante intervención genética, combinarla con otras técnicas como la transgénesis y la inducción química puede simular aún más la complejidad de las enfermedades humanas. Por ejemplo, se puede introducir una mutación genética específica mediante la edición genética, seguida del uso de agentes químicos para inducir cambios fisiológicos o patológicos específicos, lo que lleva a una recapitulación más completa del estado de enfermedad humana.

3.1 Modelos animales homólogos

Los modelos animales homólogos son aquellos que presentan un alto grado de similitud con los mecanismos de las enfermedades humanas. No sólo son similares en la expresión genética y las características fisiológicas sino, más importante aún, en la etiología, la progresión y la respuesta farmacológica de la enfermedad, y reflejan notablemente las condiciones humanas. Esto permite a los científicos simular con precisión los procesos fisiopatológicos de las enfermedades humanas en animales, proporcionando datos experimentales invaluables para el desarrollo de fármacos. Las características clave incluyen:

• Simulación de alta fidelidad:Los modelos animales homólogos replican con precisión las causas, los síntomas y las respuestas al tratamiento de las enfermedades humanas, lo que hace que el proceso de desarrollo de fármacos sea más relevante y eficiente.
• Poder predictivo:Debido a su gran similitud con los mecanismos de las enfermedades humanas y las respuestas a los medicamentos, los modelos animales homólogos pueden predecir la eficacia de los medicamentos y los efectos secundarios en humanos con una precisión razonable, lo que brinda un fuerte apoyo para los ensayos clínicos.

Los modelos de infección bacteriana, establecidos mediante la simulación del proceso humano de infección bacteriana, son modelos animales con características fisiopatológicas similares. Estos modelos son cruciales para comprender la patogénesis de las infecciones bacterianas y evaluar la eficacia de los fármacos antibacterianos. Por ejemplo, en el desarrollo de antibióticos, los científicos utilizan modelos de infección bacteriana para evaluar los efectos inhibidores y bactericidas de diferentes antibióticos, proporcionando una base científica para la medicación clínica.

3.2 Modelos animales isomórficos

Los modelos animales isomórficos se refieren a aquellos que comparten síntomas similares con enfermedades humanas y son susceptibles de los mismos enfoques de tratamiento. Sin embargo, a diferencia de los modelos homólogos, las causas subyacentes de la enfermedad en los modelos isomórficos pueden diferir de las de los humanos. Considere el daño degenerativo relacionado con la artritis-: si bien la inyección de yodoacetato en las articulaciones de un modelo animal puede inducir artritis y usarse para estudiar los efectos anti-degenerativos de los compuestos, el mecanismo de formación de la osteoartritis humana es considerablemente más complejo y no está causado únicamente por el yodoacetato. Las características clave de los modelos animales isomórficos incluyen:

• Similitud de síntomas:Los modelos animales isomórficos exhiben síntomas muy similares a las enfermedades humanas, lo que permite la observación de cambios fisiopatológicos análogos en animales y proporciona referencias intuitivas para el desarrollo de fármacos.
• Paralelos de tratamiento:Debido a las similitudes sintomáticas, a menudo se pueden aplicar las mismas estrategias de tratamiento tanto a modelos animales isomórficos como a enfermedades humanas. Esto facilita la evaluación de la eficacia y seguridad de los medicamentos.
• Diferencias etiológicas:A pesar de las similitudes en los síntomas y los enfoques de tratamiento, las causas fundamentales de la enfermedad en modelos animales isomórficos pueden diferir de las de los humanos. Esta diferencia requiere un análisis más cauteloso de los resultados experimentales cuando se utilizan modelos isomórficos para el desarrollo de fármacos para evitar extrapolar directamente los hallazgos del modelo animal a los humanos.

Usando como ejemplo el daño degenerativo relacionado con la artritis-, la inyección intra-articular de yodoacetato puede inducir artritis en modelos animales. Este modelo comparte similitudes sintomáticas con la osteoartritis humana, como hinchazón de las articulaciones, dolor y movilidad limitada. En consecuencia, este modelo se puede utilizar para evaluar el potencial anti-de los fármacos. Sin embargo, el desarrollo de la osteoartritis humana es más complejo e involucra varios factores como la genética, el medio ambiente y la edad. Por lo tanto, cuando se utilizan modelos animales isomórficos para el desarrollo de fármacos, es esencial una consideración exhaustiva de estos factores para garantizar la precisión y confiabilidad de los resultados experimentales.

3.3 Modelos animales predictivos

Los modelos animales predictivos se emplean como herramientas para el desarrollo de fármacos cuando no existe un modelo animal directo que corresponda a una enfermedad humana. Estos modelos simulan los síntomas y las respuestas de la enfermedad utilizando varios métodos. Esto se puede comparar con el uso de un boceto-dibujado a mano para planificar una ruta cuando no hay un mapa real disponible.

Consideremos las enfermedades mentales. Estas condiciones son excepcionalmente complejas, no sólo debido a sus diversas etiologías sino también porque observar y comprender directamente el estado mental de un animal es un desafío. Por tanto, determinar de forma definitiva si un animal realmente padece una enfermedad mental es difícil. Afortunadamente, los científicos han desarrollado un método: inducir o exacerbar los síntomas mentales en los animales mediante la administración de determinados fármacos.

Por ejemplo, imaginemos desarrollar un nuevo fármaco para tratar la depresión. En ausencia de un modelo animal adecuado, los investigadores podrían inyectar a ratones una sustancia que se sabe que induce síntomas depresivos y luego observar cambios en su comportamiento.

Si el nuevo fármaco puede aliviar los síntomas depresivos en los ratones, proporciona evidencia preliminar que sugiere que el fármaco también podría ser eficaz en el tratamiento de la depresión en humanos. Naturalmente, se trata de una predicción preliminar y la eficacia real debe validarse mediante ensayos clínicos en humanos.

4.1 Selección de especies

Al considerar la selección de especies para el desarrollo de modelos, es similar a seleccionar cuidadosamente los recursos adecuados para un proyecto complejo. Elegir el modelo animal adecuado es tan crucial como seleccionar los mejores materiales.

Es importante reconocer que no todos los animales son adecuados como modelos para el desarrollo de fármacos. Así como no todos los materiales son aptos para un propósito particular, se deben considerar varios factores, incluida la estructura fisiológica del animal, el sistema metabólico y la susceptibilidad a la enfermedad de interés.

Al seleccionar modelos animales, generalmente se da prioridad a las especies que son fisiológica y patológicamente más similares a los humanos. Por ejemplo, los ratones y las ratas se utilizan con frecuencia en el desarrollo de fármacos debido a sus rápidos ciclos de reproducción, su facilidad de manipulación genética y su bajo costo.

Sin embargo, para enfermedades específicas, pueden ser necesarios modelos animales más especializados. Por ejemplo, los conejos y los monos son modelos preferidos para estudiar enfermedades oftalmológicas debido a que sus estructuras oculares son similares a las de los humanos.

Primates no-humanos (PNH), como animales sociales con estructuras jerárquicas claras y comportamientos complejos, son filogenética, anatómica, fisiológica y biomédicamente más similares a los humanos que los modelos de roedores comúnmente utilizados. Sirven como animales de experimentación avanzados en investigaciones médicas y de ciencias biológicas, y desempeñan un papel irreemplazable en el desarrollo de vacunas para la prevención y el control de enfermedades humanas, y en el estudio de la función del cerebro humano y los trastornos neurológicos. A medida que se profundiza la investigación en medicina y salud humana, los animales modelo-de orden inferior están demostrando ser insuficientes en ciertas áreas, lo que crea una necesidad urgente de modelos animales que estén evolutivamente más cerca de los humanos, como los monos.

En aplicaciones prácticas, los científicos han logrado resultados notables seleccionando modelos animales apropiados. Por ejemplo, en la investigación del tratamiento del cáncer, los modelos de ratón han ayudado en la detección de numerosos fármacos antitumorales eficaces. en el estudio deenfermedades neurodegenerativas, los modelos de moscas de la fruta y nematodos han proporcionado información sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la aparición de enfermedades. Estos ejemplos exitosos subrayan la importancia de seleccionar modelos animales adecuados en el desarrollo de nuevos fármacos.

4.2 Requisitos del tamaño de la muestra

La determinación del número adecuado de animales de experimentación depende de cinco factores clave: principios estadísticos, objetivos experimentales, características de los animales, experiencia previa y regulaciones pertinentes.

Principios estadísticos

En el desarrollo de fármacos, el objetivo es obtener resultados que no sólo sean eficaces sino también fiables y reproducibles. Esto requiere la aplicación de principios estadísticos para estimar el tamaño de muestra requerido en función del tamaño del efecto anticipado, el error experimental y el nivel de confianza deseado. En esencia, al igual que lanzar una moneda más veces, conduce a una predicción más precisa de la probabilidad de que salga cara o cruz.

Objetivos experimentales

El objetivo experimental es otro determinante crucial del número requerido de animales de experimentación. Diferentes objetivos experimentales requieren diferentes tamaños de muestra. Por ejemplo, los estudios de toxicidad de medicamentos suelen requerir tamaños de muestra más grandes para garantizar la confiabilidad y seguridad de los resultados, mientras que tamaños de muestra más pequeños pueden ser suficientes durante la fase preliminar de detección de medicamentos.

Características de los animales

Factores como la especie, la edad, el sexo y el estado de salud de los animales pueden influir en la determinación del tamaño de la muestra. De manera similar a cómo diferentes ingredientes requieren diferentes tiempos de cocción y niveles de calor, los animales con diferentes características pueden exhibir diferentes respuestas en los experimentos. Por lo tanto, es necesario ajustar el tamaño de la muestra en función de las características de los animales de experimentación.

Experiencia previa

La experiencia previa y las regulaciones pertinentes también pueden informar la determinación del número de animales. Por ejemplo, los estudios sobre determinadas enfermedades o fármacos pueden haber establecido modelos animales y protocolos experimentales, proporcionando una base para determinar el número de animales necesarios.

Regulaciones relevantes

Los diferentes países y regiones tienen regulaciones y pautas específicas con respecto al número y las condiciones de los animales utilizados en experimentos. El cumplimiento de estas normas es obligatorio al establecer el número de animales de experimentación.