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Rata (GM)

Los animales de laboratorio se han utilizado durante mucho tiempo en la investigación médica como herramientas para demostrar los procesos genéticos o patológicos subyacentes implicados en muchas enfermedades humanas. De hecho, la humilde rata de laboratorio ya se utilizaba con estos fines a mediados del siglo XIX y a comienzos del siguiente Henry Donaldson, del Instituto Wistar de Filadelfia, comenzó a desarrollar las primeras variedades de ratas consanguíneas. Esta colonia, criada para la investigación de la genética, la neurociencia y el cáncerANCHOR, fue el comienzo de una relación centenaria (que todavía se mantiene) entre el científico y el roedor. El beneficio obtenido de esta asociación durante los últimos 100 años ha sido enorme para muchas áreas de la medicina: desde modelos de enfermedad cardiovascular ANCHOR, hasta trasplantesANCHOR, depresiónANCHOR, y más recientemente el potencial de la terapia celular para recuperar la funcionalidad del cuerpo tras una lesión en la médula espinalANCHOR ANCHOR.

Historia de la tecnología transgénica

La tecnología transgénica permite introducir un gen de interés en el genoma de un animal de laboratorio y representa una herramienta extremadamente poderosa para analizar los fundamentos moleculares de la enfermedad. La tecnología transgénica se desarrolló en ratones durante la década de los ochenta, inicialmente para silenciar un gen existente (modelos knockout). Posteriormente la tecnología se desarrolló para introducir un nuevo gen o conseguir un nivel de expresión de un gen superior al normal (modelos knockin), así como para conseguir la expresión de un gen en un tejido específico y/o en un momento específico (modelos transgénicos condicionales)ANCHOR.  En los ratones, esto implica el uso de células madre embriónicas (ES). Se trata de células extraídas de la parte interior de un embrión tempranoANCHOR, y se definen por tres propiedades especiales:

i) capacidad para renovarse de forma indefinida y potencial para desarrollarse en cualquier célula del cuerpo (pluripotencia)
ii) capacidad para incorporarse a un organismo
iii) capacidad para desarrollarse en los gametos y pasar a la descendenciaANCHOR.

En los ratones, las células madre embriónicas se aíslan y mantienen en una línea celular, donde el ADN se puede alterar añadiendo, restando o modificando material genético con relativa facilidad. Entonces estas células se pueden reintroducir en el embrión, donde se desarrollan en muchas de las células del cuerpo. Si se desarrollan en los gametos, cuando estos animales se produzcan darán lugar a una descendencia heterocigótica, que son las que tienen una copia del gen introducido. Si dos heterocigotos se aparean, darán lugar a algunos descendientes con dos copias del gen introducido (homocigotos).

Los modelos de ratones transgénicos están resultando muy útiles, especialmente para los trastornos genéticos, como la Distrofia muscular de Duchenne y la fibrosis cística, y ahora ya se emplean para estudiar enfermedades muy diversas. En efecto, en una evaluación de la eficacia de los modelos animales para los 100 fármacos más vendidos, Zambrowics& SandsANCHOR afirma: "Una evaluación retrospectiva… indica que estos fenotipos se correlacionan bien con la eficacia de fármacos conocidos, lo que ilumina una vía productivo para el descubrimiento de los futuros objetivos de los fármacos".

¿Ratas transgénicas?

A pesar de que esto resulta apasionante y prometedor para la comunidad científica, existen algunos inconvenientes, en particular que los ratones tienen menos similitudes fisiológicas con los seres humanos que las ratas, por lo que resultan menos atractivos como modelos de las afecciones humanasANCHOR. Desde un punto de vista conductual, las ratas son similares a los humanos en su capacidad de aprender y realizar diferentes tareas experimentales. Debido a su mayor tamaño, también resultan mucho más cómodas para realizar procedimientos quirúrgicos y controlar estados fisiológicos que los ratonesANCHOR. No obstante, hasta hace poco los intentos de aislar células madre embriónicas en ratas habían resultado inútiles. En los ratones, las células madre embriónicas se mantuvieron en su estado pluripotente manteniéndolas con suero de bovino y las denominadas 'células alimentadoras', que liberan una sustancia química conocida como factor inhibidor de la leucemia (LIF)ANCHOR, pero este método fracasó en las ratasANCHOR. En animales como la oveja y el cerdo, el problema se ha superado utilizado técnicas de clonadoANCHOR, pero una vez más, esto resultó difícil en la rata. Las células parecían muy inestables, y cualquier alteración provocaba su activación, por lo que no se podían implantar en un embrión y llegar a término.

Reveses

Esto no quiere decir que las ratas transgénicas nunca se hayan empleado en la experimentación, pero se ha hecho empleando otras técnicas, no ideales para los fines de la experimentación. Todas estas técnicas tienen inconvenientes fundamentales.

Por ejemplo, un método común consiste en introducir mutaciones aleatorias en las células, ya sea utilizando la sustancia química ENUANCHOR, o retrotransposonesANCHOR, que son elementos genéticos móviles que se insertan aleatoriamente en los genes, alterando su actividad. El problema de utilizar cualquiera de estas técnicas es que las mutaciones resultantes son aleatorias. El científico necesita mutar un gran número de animales y analizar sus fenotipos resultantes, para después realizar análisis genéticos para comprobar si un cambio en el comportamiento se debe a una mutación en el gen deseado. Obviamente se trata de un procedimiento muy caro.

Una táctica distinta consiste en tomar un gen de interés e incorporarlo al núcleo de un embrión unicelular mediante inyección directaANCHOR, o utilizando un lentivirus para infectar la célula con el genANCHOR. Este método solamente se puede utilizar para introducir pequeñas cantidades de material genético (de hasta 10 kb de longitud), que es demasiado pequeño para acomodar la mayoría de los genes. Está sujeto a 'efectos de posición', es decir que se insertará en el genoma en una posición aleatoria, por lo que afectará y se verá afectado por el material genético que lo rodea. Estos problemas se pueden superar utilizando cromosomas artificiales (por ejemplo, de bacterias o levaduras), dado que permiten la incorporación de una cantidad mucho mayor de información genética y pueden incluir una región 'tampón'ANCHOR alrededor del gen de interés, para protegerlo frente a los efectos de posición. Lamentablemente este método es mucho menos eficiente y a menudo hay que realizar muchas líneas de animales transgénicos antes de poder conseguirlo. Estos problemas han hecho que el impacto de las ratas transgénicas sobre la investigación biomédica hasta ahora haya sido muy limitado.

Éxitos recientes

A finales de 2008, se publicaron dos apasionantes estudios en la revista Cell que prometían un cambio radical de esta situación. Dos grupos habían desarrollado de manera independiente técnicas similares para aislar y mantener las células madre embriónicas pluripotentes de las ratas: el laboratorio del profesor Austin Smith en Cambridge, Reino UnidoANCHOR y el laboratorio del profesor Qi-Long Ying de la Universidad del Sur de California (USC)ANCHOR.

El suero, que se emplea en los métodos para aislar y criar células madre embrionarias de ratón, contiene sustancias que comprometen las células madre embrionarias de rata e incluso las células madre embrionarias de algunas variedades de ratón, por lo que los investigadores lo retiraron del medio de cultivo.

No obstante, la retirada del suero por sí sola no es suficiente para mantener las células madre de rata porque éstas secretan una proteína denominada factor de crecimiento de fibroblasto 4 (FGF4) que también las compromete, a través de un sistema de señalización celular conocido como la vía MEK/ERK. Una prometedora investigación con ratones que demostraba que al interrumpir esta vía se conseguía la renovación de las células madre se publicó en 2006ANCHOR por lo que ambos grupos de científicos emplearon una estrategia '3 inhibidora' (3i), que empleó:

i) una sustancia inhibidora para reducir la actividad de FGF4
ii) un inhibidor de la vía MEK para interrumpir la señalización
iii) un inhibidor de otra sustancia denominada glicógeno sintasa quinasa-3 (GSK3) que se emplea para inhibir la capacidad biosintética de la célula
iv) LIF

Resulta apasionante que ambos estudios descubrieran que esta técnica permitía mantener las células madre embriónicas en un estado pluripotente de forma indefinida. A pesar de que uno de los estudios9 encontró ligeros problemas (mutaciones y desviación sexual), una pequeña modificación permitió que el procedimiento fuese sólido y fiable.

Se prevé que el impacto sobre la comunidad científica será enorme. Ahora, por primera vez, las células madre se pueden utilizar para crear modelos transgénicos de rata donde el gen modificado sustituye directamente al gen normal, superando los problemas asociados hasta ahora con las ratas transgénicas. Utilizando este método, las ratas transgénicas deberían resultar tan precisas y potentes como actualmente lo son los ratones, ofreciendo mejores modelos de enfermedad humana. A medida que el año de la rata chino va avanzando, parece que el momento de la rata de laboratorio toma impulso rápidamente.


Referencias

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  9. Buher, M. et al., (2008) Capture of authentic embryonic stem cells from rat blastocysts, Cell, 135(7),1287-98.**
  10. Zambrowics, B. P. & Sands, A. T. (2003) Knockouts model the 100 best-selling drugs – will they model the next 100? Nat. Rev. Drug Disc., 2(1), 38-51.
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  23. Chen, S. et al., (2006) Self-renewal of embryonic stem cells by a small molecule, PNAS, 103(46), 17266-71.**

** Of special interest
* Of some interest


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