Sustituto para las pruebas en animales – ahora sin sufrimiento animal

Científicos en la impresora biológica

Un ratón no es un ser humano. Este hecho hace que la investigación biomédica tenga tanta dificultad para transferir los conocimientos obtenidos en experimentos con animales a los seres humanos. Por eso, los científicos y científicas trabajan en métodos alternativos a los experimentos con animales, que en el mejor de los casos puedan prescindir completamente de materiales de origen animal. A la ratona también le alegra esto.

Impresión biológica de modelos de tejidos en 3D

Investigadores de la TU Berlín han creado por primera vez un modelo de hígado a partir de células humanas utilizando impresión 3D de biotecnología, sin recurrir a materiales de origen animal. Este logro representa un paso importante hacia la investigación y enseñanza biomédica que se basa completamente en métodos sin sufrimiento animal. Hasta ahora, las técnicas sustitutas para experimentos con animales, por ejemplo, soluciones nutritivas, se obtenían de fetos de terneros. Además, para la impresión 3D de modelos de órganos, se necesitaban sustancias que formaran estructuras, provenientes de tumores que se hacen crecer en ratones. Además de estos aspectos éticos, la investigación biomédica sin componentes animales también mejora la aplicabilidad de sus resultados en humanos, lo que abre la puerta a avances más rápidos en el desarrollo de medicamentos.

“En Alemania, en realidad está prohibido sacrificar vacas embarazadas”, explica el Prof. Dr. Jens Kurreck, jefe del departamento de Bioquímica Aplicada en la TU Berlín. Cuando no se detecta un embarazo antes del sacrificio, suele tomarse sangre del feto. Porque esta contiene muchas sustancias que estimulan el crecimiento y que, por tanto, son ideales para la proliferación celular en la investigación biológica. El “suero fetal de ternero” obtenido de esa sangre es un producto estándar en cualquier laboratorio de cultivo celular.

Probablemente más de dos millones de fetos de ternero al año

“Solo hay estimaciones aproximadas sobre la cantidad de fetos de ternero necesarios para esto. Una publicación de 2021 calcula unos dos millones en todo el mundo, y desde entonces, el consumo de suero fetal de ternero ha aumentado”, dice Kurreck. La mayor parte proviene de sacrificios en países fuera de la UE y, por tanto, su vigilancia por parte de instituciones alemanas o europeas es limitada. “Dado que el suero de ternero es muy adecuado para cultivar células, también lo utilizan los investigadores que quieren reemplazar experimentos con animales mediante cultivos celulares. Hasta hace poco, también nosotros”, añade.

Ratones con tumores que representan una quinta parte de su peso corporal

Debido a que el grupo de Jens Kurreck utiliza técnicas de impresión 3D de biotecnología que prometen mucho para la creación de modelos de órganos como sustituto de experimentos con animales, los investigadores también han tenido que recurrir a un segundo producto animal, obtenido de animales criados específicamente para ello. “Con la impresión 3D, podemos crear pequeños modelos de órganos humanos en tres dimensiones, que incluso pueden contener vasos sanguíneos artificiales. Para ello, necesitamos sustancias como laminina y colágeno, que dan a estas estructuras la estructura más firme necesaria, en comparación con las culturas celulares normales”, explica el investigador. Estas sustancias se encuentran en altas concentraciones en una forma especial de matriz extracelular, que envuelve de forma reticulada las células en el cuerpo de humanos y animales y facilita su contacto.

Se obtiene esta sustancia, conocida por sus siglas BME (por “Basement Membrane Extract”), a partir de tumores que se hacen crecer en ratones. “Al final, un tumor pesa aproximadamente cuatro gramos, en comparación con un peso corporal del ratón de unos veinte gramos. Desde esta proporción, se puede ver que este procedimiento causa una afectación significativa al animal”, señala Kurreck. Como los componentes estructurales del BME también se usan rutinariamente en otros laboratorios de cultivo celular para diversas aplicaciones, la cantidad de animales utilizados para su producción seguramente llega a los miles, afirma Jens Kurreck.

Componentes animales hacen que la investigación sea menos confiable

Las células humanas alimentadas con suero de sangre de ternero y estimuladas para su proliferación, que luego se utilizan para imprimir modelos de órganos humanos con sustancias estructurantes provenientes de tumores de ratón: “Si consideramos estos pasos de producción, en realidad se puede ver que existe un potencial de error si se intenta inferir los procesos reales en el cuerpo humano a partir de estos modelos de órganos”, explica Kurreck. Además, los modelos de órganos humanos ya son en principio mucho más predictivos que los experimentos con animales, en lo que respecta a la misma cuestión. Aunque también se introducen, por ejemplo, células tumorales humanas en animales, estas células todavía están en tejidos animales y se comunican con ellas, lo que dificulta mucho la transferencia de los resultados a los humanos.

Además, añade Kurreck, la composición exacta de productos animales como el suero fetal de ternero varía constantemente. Por lo tanto, no se puede confiar en que una partida, por ejemplo, estimule el crecimiento celular de la misma manera que otra. “El 90 por ciento de los candidatos a medicamentos prometedores en laboratorios y ensayos con animales, e incluso el 97 por ciento de los candidatos a medicamentos contra el cáncer, fracasan en última instancia en las pruebas en humanos. Para mejorar esto, el objetivo debe ser eventualmente eliminar por completo los experimentos con animales y también los aditivos y sustancias auxiliares animales”, señala.

Medios de cultivo y sustancias estructurales definidas químicamente de fuentes humanas

Con el primer modelo de tejido hepático completamente sin materiales de origen animal, el doctorando Ahmed Ali y otros miembros del grupo de Jens Kurreck lograron un gran avance en esta dirección. Para ello, sustituyeron el suero fetal de ternero por un medio nutritivo químicamente definido, compuesto por factores de crecimiento, insulina, selenio, azúcares y sales. “No solo tuvimos que adaptar este medio nutritivo al tipo específico de células hepáticas humanas que usamos, sino también acostumbrar a las células lentamente a este nuevo entorno”, relata Kurreck. Los materiales iniciales para comenzar el experimento, por supuesto, fueron proporcionados por una empresa que utilizaba suero de ternero para su proliferación.

Como sustituto de la mezcla estructurante BME de tumores de ratón, los científicos usaron colágeno humano obtenido de placentas, que normalmente se desecharían tras los partos en hospitales de Viena. “Lo que parece simple en teoría, en la práctica fue un proceso complejo de adaptación que requirió mucha experimentación y una revisión exhaustiva de la literatura”, explica Jens Kurreck. Por ejemplo, las placas de cultivo en las que se cultivaron las células tuvieron que recubrirse con colágeno humano de las placentas para lograr una adhesión similar a la de los métodos tradicionales.

Resultados de las pruebas confirman la equivalencia del método sin sufrimiento animal

Para evaluar su nuevo modelo de hígado sin sufrimiento animal, los investigadores lo expusieron a la toxina okadaicida, producida por algas, que se acumula en mejillones y puede causar intoxicaciones graves por pescado. Se observó que las estructuras celulares impresas en 2D tenían la misma sensibilidad a la toxina, independientemente de si se cultivaron y imprimieron con los materiales tradicionales o con los nuevos sin origen animal. Un modelo de tejido hepático en 3D también mostró la sensibilidad esperada en estos casos.

Transferencia a la práctica mediante un enfoque interdisciplinario

Los científicos involucrados ven con optimismo que su método sin sufrimiento animal no solo tenga un camino rápido hacia la práctica, sino que también pueda aplicarse ampliamente. Porque, con Albert Braeuning del Instituto Federal de Evaluación de Riesgos (BfR), que es la autoridad nacional en seguridad alimentaria, no solo participó un posible usuario del método en la publicación actual. Además, el departamento de Biotecnología y Procesos de Alimentos de la TU Berlín, dirigido por la Prof. Dr. Cornelia Rauh, contribuyó con la medición de parámetros mecánicos de la nueva tinta de impresión 3D. Los científicos de allí también investigan, junto con el grupo de Jens Kurreck, la carne cultivada para la alimentación humana, que también requiere métodos de cultivo sin suero fetal de ternero. Una futura optimización del método sin sufrimiento animal se busca en colaboración con el departamento de Ingeniería de Bioprocesos de la TU Berlín, dirigido por el Prof. Dr. Peter Neubauer. Así, en el futuro, las proteínas de colágeno humanas podrían producirse en cantidades necesarias mediante levaduras, o incluso, en un futuro más lejano, directamente a partir de cultivos celulares humanos.