Sustitución de los ensayos con animales: ahora sin sufrimiento animal

"En Alemania está prohibido sacrificar vacas preñadas", explica el profesor Jens Kurreck, director del Departamento de Bioquímica Aplicada de la Universidad Técnica de Berlín. Si no se reconoce la preñez antes del sacrificio, es práctica habitual extraer sangre del feto. Esto se debe a que contiene muchas sustancias que estimulan el crecimiento y, por tanto, son ideales para la multiplicación de células en la investigación biológica. El "suero fetal de ternera" obtenido de la sangre es un producto estándar en todos los laboratorios de cultivo celular.

Probablemente más de dos millones de fetos de ternera al año

"Sólo existen estimaciones aproximadas del número de fetos de ternero necesarios para ello. Una publicación de 2021 parte de dos millones en todo el mundo, y desde entonces el consumo de suero fetal de ternera ha tendido a aumentar", dice Kurreck. Una gran parte procede de sacrificios en países extracomunitarios, por lo que es difícil de controlar por las instituciones alemanas o europeas. "Como el suero de ternera es tan adecuado para el cultivo de células, naturalmente también lo utilizan los investigadores que quieren sustituir los experimentos con animales por la ayuda de cultivos celulares. Incluidos nosotros hasta hace poco".

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

Dado que el grupo de trabajo de Jens Kurreck utiliza la bioimpresión 3D, un método especialmente prometedor para producir modelos de órganos que sustituyan a los experimentos con animales, los científicos también han tenido que recurrir a un segundo producto animal, que se obtiene de animales criados específicamente para este fin. "Con la ayuda de la impresión 3D, podemos producir pequeños modelos tridimensionales de órganos a partir de células humanas que incluso pueden contener vasos sanguíneos artificiales. Para ello, sin embargo, necesitamos sustancias como las lamininas y los colágenos, que confieren a estas estructuras la firmeza necesaria en comparación con los cultivos celulares normales", explica el investigador. Se encuentran en altas concentraciones en una forma especial de la llamada matriz extracelular, que rodea las células del cuerpo de humanos y animales como una malla y media el contacto entre ellas.

Esta sustancia, abreviada BME (por "Basement Membrane Extract"), se obtiene a partir de tumores cultivados en ratones. "Al final, un tumor de este tipo pesa unos cuatro gramos, mientras que el peso corporal de un ratón es de unos veinte gramos. Esta proporción demuestra por sí sola que este procedimiento tiene un efecto adverso nada desdeñable sobre el animal". Dado que las sustancias promotoras de estructura de la BME también se utilizan habitualmente en otros laboratorios de cultivo celular para diversas aplicaciones, el número de animales empleados para la producción se contaría sin duda por miles, afirma Jens Kurreck.

Los componentes animales restan fiabilidad a la investigación

Células humanas que se nutren y se estimulan para que se multipliquen con la ayuda de suero sanguíneo de terneros, a partir de las cuales se imprimen a continuación modelos de órganos humanos con la ayuda de sustancias que favorecen su estructura procedentes de tumores de ratón: "Si se piensa en estos pasos de producción, ya se puede ver que hay potencial de error si se quieren sacar conclusiones sobre los procesos reales del cuerpo humano a partir de experimentos con estos modelos de órganos", explica Kurreck. Y en principio, los modelos de órganos a partir de células humanas ya son mucho más predictivos que los correspondientes experimentos con animales cuando se trata de la misma cuestión. Por ejemplo, también se introducen células tumorales humanas en animales. Sin embargo, estas células humanas siguen estando situadas en el tejido animal como entorno y también se comunican con estas células animales, lo que hace muy difícil trasladar los hallazgos a los humanos.

Además, según Kurreck, la composición exacta de productos animales como el suero fetal de ternera siempre varía. Por tanto, no es posible confiar en que un lote, por ejemplo, estimule el crecimiento celular de la misma manera que otro. "El 90% de todos los candidatos prometedores a fármacos en el laboratorio y en experimentos con animales, e incluso el 97% de todos los candidatos a fármacos contra el cáncer, acaban fracasando cuando se prueban en seres humanos. Si queremos mejorar en este campo, el objetivo debe ser prescindir finalmente de los ensayos con animales y de cualquier aditivo o excipiente de origen animal."

Medios de cultivo químicamente definidos con precisión y sustancias estructurales de origen humano

El estudiante de doctorado Ahmed Ali y otros miembros del grupo de trabajo de Jens Kurreck han dado ahora un gran paso en esta dirección con el primer modelo tisular del hígado completamente sin materiales de origen animal. Han sustituido el suero fetal de ternera por un medio de cultivo químicamente definido con precisión, compuesto por factores de crecimiento, insulina, selenio, azúcares y sales. "No sólo tuvimos que adaptar este medio de cultivo al tipo específico de células hepáticas humanas que estábamos utilizando, sino que también tuvimos que aclimatar las células al nuevo entorno en un proceso lento", explica Kurreck. Por supuesto, las células iniciales para el inicio del experimento fueron suministradas por una empresa que había utilizado suero de ternera para su propagación.

Como sustituto de la mezcla promotora de la estructura BME de los tumores de ratón, los científicos utilizaron colágeno humano procedente de placentas que, de otro modo, se habrían eliminado como residuos en los hospitales vieneses tras los partos. "Lo que parece tan sencillo fue en la práctica un complejo proceso de adaptación que requirió mucho ensayo y error, así como una amplia investigación bibliográfica", afirma Jens Kurreck. Por ejemplo, las placas de plástico en las que se cultivaron las células tuvieron que recubrirse especialmente con colágeno humano procedente de las placentas para conseguir una adhesión igual de buena que con el método convencional.

Los resultados de las pruebas confirman la equivalencia del método sin crueldad

Para probar su nuevo modelo de hígado sin crueldad, los investigadores lo pusieron en contacto con la toxina ácido okadaico, que producen las algas, se acumula en los mejillones y puede provocar una intoxicación grave en los peces. Se comprobó que las estructuras impresas bidimensionales de las células mostraban la misma sensibilidad a la toxina, independientemente de si habían sido cultivadas e impresas con las sustancias antiguas o con las nuevas sin origen animal. Un modelo tisular tridimensional del hígado también mostró la sensibilidad esperada por los investigadores para este caso.

Transferencia a la práctica mediante un enfoque interdisciplinario

Los científicos participantes son optimistas en cuanto a que su nuevo método, libre de crueldad, no sólo encontrará rápidamente su camino en la práctica, sino que también será ampliamente utilizado. Albert Braeuning, del Instituto Federal de Evaluación de Riesgos (BfR), la autoridad nacional de seguridad alimentaria, no ha sido el único usuario potencial del método que ha participado directamente en la presente publicación. El Departamento de Biotecnología Alimentaria e Ingeniería de Procesos de la Prof. Dra. Cornelia Rauh, de la Universidad Técnica de Berlín, también contribuyó al estudio midiendo los parámetros mecánicos de la nueva tinta de bioimpresión 3D. Junto con el grupo de trabajo de Jens Kurreck, los científicos también investigan la carne cultivada para el consumo humano, para la que también se requieren métodos de cultivo sin suero fetal de ternera. En colaboración con el Departamento de Ingeniería de Bioprocesos del Prof. Dr. Peter Neubauer, de la Universidad Técnica de Berlín, se busca una futura optimización del método sin animales. En el futuro, los colágenos humanos podrían producirse en las cantidades necesarias a partir de células de levadura, o incluso directamente a partir de cultivos de células humanas en un futuro más lejano.