Plan Estratégico - Modelos Animales

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Los modelos animales de cáncer han sido utilizados desde hace muchos años en distintas áreas de la investigación. Sin embargo, en los últimos años y debido sobre todo al enorme avance en los conocimientos sobre las bases moleculares del cáncer, ha surgido la necesidad de disponer de modelos geneticamente definidos, es decir, donde las mutaciones genéticas que predisponen o participan en el desarrollo de la enfermedad pueden ser controladas (1,2). Esta necesidad, combinada con el vertiginoso avance en tecnología para la manipulación genética en mamíferos y sobre todo en ratón ha conducido al desarrollo de modelos animales modificados genéticamente, en su mayoría de origen murino, cada vez más sofisticados, que recapitulan muchos de los procesos que tienen lugar en la patología del cáncer en humanos (3). Estos modelos están proporcionando una visión más adecuada del proceso tumoral y permiten obtener mejores modelos experimentales para desarrollar y ensayar nuevas terapias (4,5,6).

Los métodos estándar de inactivación génica (knockout clásicos) o de sobreexpresión (transgénesis clásica), donde la modificación genética se expresa en todas las células del organismo desde la concepción (7), no reproducen adecuadamente muchas de las patologías humanas de origen genético, en su mayoría asociadas a procesos de envejecimiento y deterioro celular (cáncer, enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares etc.). Solamente la función más temprana y no redundante de un gen durante el desarrollo queda puesta de manifiesto por métodos clásicos de inactivación o sobrexpresión génica en la línea germinal. Además la inactivación temprana de un gen o su sobreexpresión puede conducir tanto a un fenotipo letal embrionario que imposibilita el análisis de la función de ese gen en células adultas (8). Por tanto, la optimización de los modelos animales de enfermedades de origen genético está en gran medida supeditada a los avances tecnológicos que permiten manipular el genoma de los organismos de una forma controlada en el espacio y en el tiempo. La optimización de técnicas de manipulación genética en células ES de ratón (9), junto con el desarrollo de nuevos y mejores sistemas de recombinación específica de secuencia (10) y de sistemas condicionales e inducibles de control de expresión génica (11, 12) o de actividad (13, 14) permitirá diseñar modelos murinos que recapitulen en mucho mayor grado lo que ocurre en ciertas patologías humanas como el cáncer.

Está ampliamente documentado que se necesitan varias mutaciones en diversos procesos celulares para el desarrollo adecuado de un tumor (15). Los modelos animales permiten de una forma controlada desarrollar ensayos de cooperación entre mutaciones cruzando cepas con alteraciones genéticas específicas y observar su efecto in vivo. El análisis detallado de estas cooperaciones proporciona una información muy interesante sobre los distintos procesos de transformación cancerosa de las células y la progresión a través de los distintos estadios en la evolución del tumor. Además, estos sistemas en donde el desarrollo de un tumor se ha desencadenado a partir de una o unas pocas mutaciones controladas, permiten realizar un seguimiento molecular y patológico de los distintos estadios preneoplásicos y neoplásicos. La obtención de muestras biológicas en este proceso es una fuente importante de muestras que permitan el desarrollo de los Programas de Genómica y Proteómica.

La utilización de este tipo de modelos experimentales es esencial para el entendimiento de la función in vivo de genes implicados en el desarrollo tumoral, como oncogenes o genes supresores de tumores (16), así como los genes modificadores (17), u otras moléculas involucradas en los diferentes procesos celulares como el control de la proliferación celular (18). La era de la genómica ha puesto de manifiesto muchas rutas moleculares diferentes que están implicadas en carcinogénesis. Los procesos celulares de interés en cáncer incluyen las señales mitogénicas como factores de crecimiento y sus receptores, vías de transducción de señales, regulación de los complejos de transcripción, control del ciclo celular, procesos de apoptosis, comunicación entre células, adhesión y motilidad celular, etc. (15, 18). La generación de modelos modificados genéticamente en algunas de estas vías, ya sea mediante mutaciones que producen una ganancia de función o una pérdida de actividad es de enorme relevancia para entender estos procesos. Actualmente, los diferentes Centros que componen la Red de Centros de Cáncer están desarrollando modelos animales modificados genéticamente en algunos de los genes de cada uno de esos procesos celulares de interés en cáncer.

HIPÓTESIS

El ratón es el modelo animal más adecuado en la actualidad para el análisis de enfermedades humanas de origen genético. Actualmente las técnicas de manipulación del genoma del ratón permiten el diseño y la creación de modelos experimentales donde analizar el desarrollo de estas enfermedades con un control adecuado de la base genética del organismo y de las posibles alteraciones genéticas que acompañan el desarrollo de la enfermedad. La importancia de estos modelos es por tanto enorme para el estudio in vivo de la función de ciertos genes en el desarrollo de la enfermedad, para la identificación de nuevas moléculas diana y para el ensayo a nivel preclínico de nuevas terapias dirigidas a estas moléculas. La creación de modelos de ratón que reflejen adecuadamente el desarrollo de la correspondiente patología humana requiere todavía el desarrollo de tecnología que permita la activación o inactivación inducible o condicional de genes específicos. Actualmente es de gran interés para la evolución científica y desarrollo de aplicaciones preclínicas en nuestro país el juntar iniciativas para implementar y desarrollar este tipo de tecnología así como para unificar criterios en el análisis y caracterización de estos modelos.

OBJETIVOS

1. A medida que se conoce más sobre la complejidad genética que caracteriza a muchas enfermedades, incluido el cáncer, se hace cada vez más necesario el diseñar modelos donde analizarla. Uno de los objetivos Principales de este Programa es el de explotar la tecnología existente para la manipulación del genoma del ratón y el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan un mejor control de la activación o inactivación génica in vivo.
2. Desarrollo de mejores modelos animales de cáncer que emulen de una forma más apropiada la enfermedad humana.
3. Análisis de las bases genéticas y moleculares de la enfermedad usando estos modelos, incluyendo los factores involucrados en la progresión a través de las distintas fases de evolución del tumor, capacidad metastásica, etc.
4. Identificación de nuevas nuevas dianas de potencial terapeútico y su validación in vivo.
5. Uso de los modelos animales en ensayos preclínicos de nuevas terapias antitumorales.
6. Coordinación de la actividad de los diferentes centros y laboratorios de nuestro país interesados en el estudio y desarrollo de modelos animales de diferentes tipos de cáncer para una mayor eficiencia en su utilización.

Investigación tecnológica para el desarrollo de mejores modelos

El Programa de modelos animales dedicará parte del esfuerzo a mejorar las técnicas de manipulación de células pluri– o totipotenciales, sistemas de recombinación específica de secuencia, expresión controlada por promotores específicos de tipos celulares o momentos del desarrollo, o las diversas técnicas de clonación en los modelos escogidos.

Además del refinamiento de las técnicas de manipulación genética in vivo, el desarrollo de modelos de cáncer donde analizar la contribución de diversos productos al desarrollo tumoral se beneficiaría grandemente del desarrollo de técnicas que permitan controlar epigenéticamente expresión y/o función génica según un patrón temporal o espacial en tejidos adultos, tales como tecnologías de iRNA (interferencia de RNA) in vivo, administración de moléculas efectoras mediante vectores virales etc. Estas tecnologías han demostrado tener éxito en otros organismos como moscas o gusanos, sin embargo no han sido aún validadas plenamente en modelos de mamíferos in vivo.

Por último, técnicas que permitan el análisis no invasivo de tumores, tales como visualización de células tumorales mediante marcaje de fluorescencia, luminiscencia y técnicas de resonancia magnética, permitirían avanzar más rápidamente en el análisis del desarrollo tumoral, y la respuesta a terapias, reduciendo enormemente el número de animales a emplear en estos estudios.

Desarrollo de modelos más afines al cáncer humano

Las modificaciones genéticas que ocurren en los tumores humanos responden por lo general a factores externos relacionados con el modo de vida actual que provocan alteraciones concretas en momentos específicos y en unas pocas células concretas. Esta es la mayor diferencia con los modelos más clásicos de modificación genética en animales donde las mutaciones están presentes desde el principio del desarrollo embrionario. Por ello, la mejora de sistemas inducibles o condicionales es la mejor aproximación para lograr mejores modelos. Estas técnicas están basadas por lo general en recombinaciones controladas mediante recombinasas específicas cuya actividad puede inducirse o apagarse bajo control del investigador. Estas técnicas permiten además causar mutaciones en tipos celulares específicos de manera que cualquier mutación genética puede analizarse en el contexto específico de un tipo u otro de tumor sin afectar al resto de las células del organismo.

La mayor parte de los modelos animales que se desarrollen en este programa se aprovecharán de un modo u otro de esta tecnología y de las nuevas mejoras que el objetivo 6.1 aporte a la comunidad de participantes del Programa.

Análisis de las bases genéticas y moleculares de la enfermedad

Los modelos animales de desarrollo de tumores son una fuente única de material para el análisis biológico de los distintos estadíos del desarrollo de un tumor, incluyendo la capacidad de adquisición de propiedades invasivas, metastásicas, etc. En este momento, es de gran interés para el Programa de Modelos Animales, realizar un seguimiento genómico/proteómico del desarrollo y progresión del tumor de modo que podamos obtener una nueva visión comprehensiva global de la interacción entre las distintas redes moleculares de la célula.

El desarrollo de los modelos animales conlleva además la posibilidad de establecer sistemas celulares y bioquímicos derivados de ellos donde realizar ensayos que no requieran el uso de animales vivos. Así, se establecerán cultivos celulares derivados de animales modificados genéticamente donde realizar ensayos individualizados o masivos. Esto es especialmente importante en el desarrollo de programas de ensayo y descubrimiento de nuevas sustancias con interés en la terapia del cáncer.

Identificación y validación de nuevas nuevas dianas terapeúticas

La información genética y genómica/proteómica porporcionará multiples candidatos a posibles nuevas dianas de interés en terapia. Muchos de los genes o proteínas cuya alteración haya sido indentificada en el desarrollo del tumor tendrán un valor causal en la progresión tumoral y por tanto han de ser identificadas como dianas de interés en terapia. Los modelos animales proporcionan reactivos importantes para esta identificación pero, sobre todo, oportunidades únicas para su validación, primero en sistemas celulares y después in vivo en los propios modelos modificados genéticamente. De hecho, la modificación genética de estas posibles dianas en nuevos modelos modificados genéticamente ha proporcionado y seguirá proporcionando en los próximos años la mejor prueba de validación de estos genes y proteínas como dianas de interés en terapia.

Uso de los modelos animales en ensayos preclínicos

Por último, la generación de modelos geneticamente controlados en su predisposición al desarrollo de tumores supone una herramienta esencial para el ensayo de nuevas estrategias terapeúticas. Muchos de los compuestos químicos con interés en terapia del cáncer no muestran resultados satisfactorios en los ensayos clínicos debido a una falta de modelos preclínicos adecuados. La disponibilidad de modelos con alteraciones genéticas conocidas va a suponer en los próximos años una herramienta esencial para evaluar nuevas terapias y obtener información que permita decidir de una manera más inteligente en sistemas preclínicos si una determinada estrategia terapeútica puede ser efectiva o puede suponer riesgos secundarios en la salud de los pacientes. Con estos modelos geneticamente controlados se podrá ensayar la efectividad de diseños esperimentales específicos contra sus propias dianas en sistemas geneticamente controlados y en animales vivos.

COORDINACIÓN DE LOS DIFERENTES CENTROS DE LA RED

Las tecnologías avanzadas de modificación genética requieren recursos específicos como equipo y personal especializado que puede no estar al alcance de todos los laboratorios. Así, es esencial para el Programa de Modelos Animales el coordinar la labor de desarrollo y uso de estos modelos entre todos los laboratorios participantes de modo que se eviten redundancias o multiplicidad de trabajo y se empleen de una manera más eficiente los recursos. Para ello se estructurará la organización de coordinadores de los centros y laboratorios involucrados en los proyectos relacionados (ciclo celular, señalización, alteraciones epigenéticas, terapias, desarrollos tecnológicos, etc.), reuniones periodicas, sesiones de trabajo conjuntas, etc.

El desarrollo de cada uno de estos modelos constituye además una herramienta de trabajo que puede ser de interés para muchos otros grupos de investigación que si bien no participan en el desarrollo de los sistemas modelos, pueden aplicar estas herramientas en su investigación. Así, es razonable pensar que la colaboración y utilización coordinada de estos sistemas modelo puede proporcionar un valor añadido a otros Programas de la Red de Centros de Cáncer (formación de personal investigador, genómica y proteómica, tecnología molecular en diagnóstico, desarrollo de métodos no invasivos de diagnóstico y desarrollo y evaluación de nuevos fármacos). La investigación coordinada en los distintos Centros permitirá mantener una comunicación de resultados fluida y posibilitará una aplicación específica de cada modelo dirigida hacia estudios específicos según el interés y la experiencia de los grupos componentes de cada Centro.

Por todo ello, es esencial una coordinación adecuada entre los centros que además conlleve una mejor formación y movilidad del personal técnico e investigador que se realizará según los siguientes esquemas:

1. Intercambios a nivel de personal técnico, predoctoral, post-doctoral y personal investigador en plantilla entre los diferentes grupos que forman la red.
2. Programas de visitas y estancias temporales de personal de otros laboratorios fuera de la red.
3. Organización de cursos teórico/prácticos coordinados.
4. Creación de una página WEB del Programa con bases de datos de utilidad sobre los recursos del Programa y con información relevante sobre sus actividades.
5. Reuniones cada 18 o 24 meses en forma de simposios en los diferentes Centros de la Red, donde pueden acudir miembros de laboratorios externos al Programa
6. Transmitir la importancia de los modelos animales de cáncer en el área de la Salud tanto a nivel nacional como de la Unión Europea a través de campañas de divulgación en los sectores clínico y público.

A pesar del gran avance que se ha producido en el conocimiento de la base genética del cáncer, todavía esta información ha tenido poco impacto en la forma en que estas enfermedades son tratadas. Sin embargo, el conocimiento de las alteraciones en la variedad de genes que directa o indirectamente participan en diferentes rutas moleculares en las células normales, nos permite tener una visión más específica del origen molecular del problema y posibles nuevas estartegias terapeúticas. El acceso directo y de primera mano a esta información y la disponibilidad de modelos animales preclínicos es una necesidad para cualquier intento de mejora en los tratamientos de terapia y repercute muy directamente en la capacidad de mejorar los tratamientos de los pacientes y en la repercusión económica que esto tiene en el sistema de salud nacional.

Toda esta información y estos modelos abren nuevas vías para el diseño de nuevas terapias basadas en drogas que actuan específicamente sobre dianas validadas, mejorando la efectividad y disminuyendo la toxicidad respecto a las terapias hasta ahora existentes. La validación de estos genes como diana de nuevas terapias requiere por una parte el conocimiento de su función in vivo, en un contexto fisiológico y a nivel de animal completo, así como el desarrollo de modelos animales donde se recapitule la patología humana mediante la modificación controlada de la actividad de estos genes. Estos modelos permitirán el desarrollar ensayos preclínicos menos costosos, más controlados y con resultados más fiables para su aplicación en pacientes.

Esta nueva aproximación al estudio y tratamiento del cáncer se está empezando a realizar de forma no coordinada en diferentes Centros de nuestro país. El Sistema Nacional de Salud sin duda se beneficiaría de una mayor comunicación y coordinación entre estos centros. Asímismo, la contribución de empresas farmaceúticas y biotecnológicas a este programa potenciará la fase de desarrollo de nuevos fármacos, facilitando el transvase de información desde el laboratorio hasta el paciente, y permitiendo que tenga un impacto real sobre su salud y su calidad de vida.

En resumen, los sistemas modelos de cáncer serán imprescindibles para el desarrollo adecuado de dos áreas esenciales en la investigación del cáncer: (i) Estudios mecanísticos de las proteínas y rutas moleculares correspondientes involucradas en el desarrollo y progresión del cáncer. (ii) Diseño, caracterización y evaluación de nuevas aproximaciones terapeúticas. Ambas áreas repercuten de modo directo en el Sistema Nacional de Salud en diversos frentes como diagnóstico, prognóstico y terapia.

La utilización de sistemas animales en la investigación del cáncer, si bien es imprescindible desde un pusto de vista científico, supone la manipulación y sufrimiento de seres vivos, principalmente vertebrados. Por esta razón, el Programa de modelos animales en cáncer considerará las recomendaciones de la European Science Foundation y se atendrá a las guías emitidas por los Comités de Ética nacionales y los Comités de cada centro sobre el uso de animales en investigación.

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