Di Amanda Maxwell

“Il topo è l’unico mammifero che fornisce una così ricca risorsa di diversità genetica unita al potenziale per un’ampia manipolazione del genoma, ed è quindi una potente applicazione per modellare le malattie umane.”-Justice et al. (2011)

La ricerca sugli animali è un argomento emotivo, che ispira un dibattito appassionato da entrambe le parti. Anche se alcuni trovano scomodo pensarci, è importante capire perché animali come i topi sono usati per la scienza medica.

I topi hanno un ruolo speciale e importante nella ricerca medica. Come gli esseri umani, i topi sono mammiferi, e i loro corpi subiscono molti processi simili, come l’invecchiamento, e hanno risposte immunitarie simili alle infezioni e alle malattie. Anche il loro sistema ormonale (endocrino) è molto simile al nostro. Sono anche una delle prime specie – insieme agli umani – ad aver avuto il loro genoma completo sequenziato. Da questo, abbiamo imparato che condividono circa l’80% dei loro geni con noi.

Il mese scorso, il Dr. Donald Branch, scienziato del Centro per l’Innovazione, insieme al Dr. Anton Neschadim dell’Università di Toronto, ha pubblicato un nuovo modello “Mouse models for immune-mediated platelet destruction or immune thrombocytopenia” in Current Protocols.

Molte importanti scoperte nella scienza medica sono venute da studi condotti nei topi. Questi includono il trattamento per la leucemia promielocitica acuta – una forma di cancro del sangue che colpisce i giovani adulti ed è ora una delle forme più trattabili della malattia – così come i protocolli di trasferimento genico per la fibrosi cistica, che sono attualmente in fase di test.

Risultati scientifici premiati con il Nobel come la scoperta della vitamina K, lo sviluppo del vaccino contro la poliomielite, l’invenzione della tecnologia degli anticorpi monoclonali ora utilizzati per il trattamento del cancro, e il chiarimento di come i neuroni dialogano tra loro nel cervello, non sarebbero avvenuti senza i topi.

Mancano in azione: Alcune delle cose che mancherebbero alla scienza medica se non fosse per la ricerca sui topi

• Lo sviluppo di vaccini coniugati con proteine e i test sui topi hanno contribuito a migliorare la vaccinazione contro la meningite Hib (Haemophilus influenzae tipo b) per i bambini piccoli.
• Senza test nei topi per mostrare il suo ruolo nel bloccare l’azione ormonale, il farmaco tamoxifene non sarebbe disponibile per le donne come trattamento e prevenzione contro il cancro al seno.
• Recenti ricerche in topi che portano un sistema immunitario umanizzato hanno scoperto nuovi potenziali obiettivi per un nuovo vaccino contro la tubercolosi.

Perché gli animali sono ancora usati per la ricerca clinica?

Anche se i progressi nella tecnologia di laboratorio offrono alternative come la coltura di cellule e organi (mini-cluster 3D di cellule che si comportano come piccoli organi) per la ricerca clinica, gli scienziati ottengono ancora molte informazioni preziose lavorando con animali da laboratorio come i topi.

Quello che succede in un corpo vivente non può essere studiato usando un piatto di cellule, per esempio. Spesso la malattia coinvolge più di un singolo organo, e per testare nuovi farmaci, dobbiamo guardare un intero corpo per vedere come risponde alla terapia.

I ricercatori usano molti altri sistemi per le indagini cliniche – come la coltura cellulare, gli espianti, gli sferoidi, la modellazione in silico e la coltura di organi – ma un topo offre ciò che queste alternative non possono: un intero organismo vivente in cui studiare la malattia, la risposta al trattamento, lo sviluppo del cancro e altre domande di ricerca di base.

Perché i topi? Fisiologia

La fisiologia e le dimensioni dei topi – sono abbastanza piccoli da maneggiare e ospitare facilmente – sono le ragioni principali della loro popolarità in laboratorio. Nel 2013, i laboratori canadesi hanno utilizzato poco più di 1,2 milioni di topi per la ricerca, secondo il Canadian Council for Animal Care, l’ente nazionale che sovrintende alle severe norme sulla salute e il benessere di tutte le specie da laboratorio.
(CAC Animal Data Report 2013)

Fisiologicamente, i topi sono molto simili agli esseri umani, anche se circa 3.000 volte più piccoli (Partridge, 2013) ma con funzioni corporee di base simili come la produzione di cellule sanguigne (ematopoiesi), la digestione, la respirazione e il sistema cardiovascolare. Anche se esistono differenze, i topi rispondono in modo simile agli esseri umani quando sono malati o subiscono un trattamento.

Ad esempio, attraverso il lavoro nei topi, i ricercatori hanno recentemente fatto progressi nel trattamento della malattia del sangue trombocitopenia immunomediata, una malattia autoimmune in cui il corpo produce anticorpi che prendono di mira le piastrine per la distruzione prima che possano essere utilizzate per la coagulazione del sangue (Neschadim e Branch, 2015; Yu et al. 2015). In un altro studio, i test nei topi con un altro tipo di disturbo della coagulazione hanno mostrato come le proteine in una trasfusione di plasma ripristinano la funzione di coagulazione e fermano il sanguinamento (Eltringham-Smith et al., 2015).

“I modelli murini di varie malattie umane, compresa la trombocitopenia immune, sono stati relativamente facili da sviluppare, poiché la fisiologia e il metabolismo dei topi assomigliano a quelli degli esseri umani. Questi modelli sono stati estremamente preziosi per me e il mio team per studiare l’ITP. Senza di loro, non saremmo così avanti nella nostra ricerca, alla ricerca di farmaci che potrebbero aiutare a migliorare la qualità della vita di molti pazienti. Abbiamo appena pubblicato metodi dettagliati su come impostare e utilizzare modelli murini per la ITP. Un modello, il nostro modello di topo con dose-escalation, assomiglia più da vicino alla ITP umana rispetto alla maggior parte degli altri modelli attualmente in uso dai ricercatori.”

– Dr. Donald R. Branch, PhD, scienziato, Centre for Innovation, Canadian Blood Services

Perché i topi? Allevamento e diversità delle specie

I topi si riproducono facilmente, con gravidanze brevi e grandi cucciolate che sono importanti per aiutare i ricercatori a creare i propri topi modificati. Tuttavia, la maggior parte dei laboratori in Canada si rifornisce di topi non specializzati da allevatori commerciali, ricevendo animali allevati appositamente con una storia di allevamento completa. Per i ricercatori, questo è molto importante: lavorare con animali che mostrano pochissime differenze tra gli individui aumenta il valore dei risultati sperimentali, poiché tutti gli animali rispondono allo stesso modo. Per una coerenza ancora maggiore, siamo anche in grado di clonare i topi dal 1997.

D’altra parte, i topi sono anche estremamente diversi, il che significa che gli allevatori commerciali possono selezionare per tratti individuali per creare ceppi inbred con caratteristiche uniche. Per esempio, il topo CBA ha una bassa incidenza di sviluppo di tumori mammari (cancro al seno), mentre il topo nudo BALB/c è immunodeficiente, poiché manca il timo. Questi tipi di proprietà specifiche della razza sono utili, perché permettono agli scienziati di concentrarsi su malattie specifiche. I ricercatori scelgono i topi mdx, privi della proteina muscolare distrofina matura, come modelli per studiare la distrofia muscolare di Duchenne, mentre altri scelgono i topi diabetici non obesi (o NOD) come buoni modelli per studiare nuovi trattamenti per l’autoimmunità (Wang et al. 2015).

Perché i topi? Modificazioni genomiche

Oltre alle strategie di allevamento basate su variazioni naturali, i ricercatori hanno anche a disposizione una serie di strumenti di modifica genetica. Poiché i topi condividono circa l’80% dei loro geni con gli esseri umani, modificare il DNA dei topi è un metodo potente per creare modelli animali di malattie umane. Tecniche come il sistema Cre/lox e il più recente strumento di editing genico CRISPR permettono ai ricercatori di cancellare, attivare o riparare i geni (Long, et al. 2016), ricreando così la malattia umana nel topo o esaminando cosa succede quando correggono una mutazione.

Rimuovere o inattivare un gene crea quello che gli scienziati chiamano un topo “knock-out”. In alternativa, possono creare animali transgenici facendo in modo che i topi esprimano geni umani o portino cellule umane – o anche tessuti. Con tecniche come queste, i ricercatori possono creare topi “umanizzati” che rispondono fisiologicamente quasi come noi, permettendo ai ricercatori di osservare il modo in cui la malattia cambia un corpo umano e come risponde al trattamento. I ricercatori svolgono un lavoro importante sull’infezione da HIV e il suo trattamento utilizzando topi con sistemi immunitari umanizzati (Schultz et al., 2012). Hanno anche testato nuove terapie che impediscono alle madri Rhesus-negative di diventare sensibilizzate al fattore Rhesus durante la gravidanza, usando topi HOD che esprimono una proteina ricombinante specifica per i globuli rossi (Bernardo et al., 2015).

Anche se ci sono differenze chiave tra il genoma del topo e quello umano, queste differenze non sono sufficienti per scontare il valore dei topi nello studio delle malattie umane. Anche se gli elementi regolatori potrebbero essere in posti diversi, rimescolati nei 75 milioni di anni da quando l’evoluzione del topo e dell’uomo si sono separati, le loro funzioni di base sono conservate.

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Del topo…

I ricercatori sugli animali sono costantemente attenti alle tre R:

• Sostituire: C’è un esperimento alternativo che non ha bisogno di animali?
• Ridurre: Possiamo modificare il disegno sperimentale per usare meno animali?
• Raffinare: Possiamo minimizzare l’impatto dell’esperimento sugli animali?

La ricerca sugli animali è strettamente regolata in Canada, con severi controlli e supervisione per assicurare il benessere e il trattamento etico. Questi regolamenti riguardano l’alloggio, l’arricchimento ambientale, l’uso di farmaci e anestesia, e anche l’allevamento di topi geneticamente modificati. I ricercatori devono prima presentare le loro proposte sperimentali ai comitati locali e federali per stabilire un piano di cura degli animali e valutare fattori come la gravità, il design e il valore scientifico prima di procedere con gli studi.

La penicillina, originariamente scoperta da Alexander Fleming nel 1928, non è apparsa come trattamento medico salvavita fino al lavoro di Howard Florey, che ha testato la sua sicurezza ed efficacia nei topi oltre dieci anni dopo. Senza i topi (e altri animali) nella ricerca, la medicina umana e animale sarebbe senza penicillina, vaccini per la poliomielite e la meningite, terapia con anticorpi monoclonali, una cura per la leucemia promielocitica acuta, e il trasferimento genico per la fibrosi cistica.

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Perché i topi? Insostituibile

Gli scienziati sono sempre alla ricerca di alternative all’uso degli animali nella ricerca clinica, ma il ruolo dei topi come modelli sperimentali per le malattie umane è, per ora, insostituibile. Anche con le differenze tra le due specie, condurre la ricerca di base in modelli di malattia su topi umanizzati fornisce agli scienziati informazioni preziose. Usare i topi come surrogati permette ai ricercatori di vedere come i pazienti potrebbero rispondere al trattamento prima di dare loro il farmaco – un passo vitale per garantire la sicurezza del paziente.