Modelli Sperimentali

Modelli sperimentali

Indice

• Introduzione ai modelli animali ............................................................................................................................. 2
• Evoluzione e filogenesi .............................................................................................................................................. 7
• Il quesito scientifico ................................................................................................................................................. 12
• Il metodo scientifico, scelta del modello e il protocollo di ricerca, strategie per l’ideazione, stesura e valutazione critica di un quesito scientifico ................................................................................. 12
• Il metodo scientifico ................................................................................................................................................ 12
• 1. Formulazione dell’ipotesi ............................................................................................................................... 13
• 2. Scelta di un modello ........................................................................................................................................ 13
• Fattori da considerare nella scelta di un modello ................................................................................................... 15
• Validità dei modelli animali per patologie o funzioni umane ................................................................ 16
• 3. Preparazione del protocollo sperimentale .............................................................................................. 16
• 4. Valutazione dei dati e relazione finale ....................................................................................................... 17
• Principi delle tecniche di sperimentazione (le tre R) ....................................................................................................... 17
• Modelli animali semplici: gli invertebrati ......................................................................................................... 18
• Modello animale: il nematode, Caenorhabditis elegans ....................................................................... 18
• C. elegans e la scoperta dei geni che regolano la morte cellulare programmata .................................................. 19
• RNA interference in C. elegans ................................................................................................................................ 21
• Modello animale: il moscerino della frutta, Drosophila melanogaster ........................................ 23
• Drosophila melanogaster: informazioni posizionali durante lo sviluppo ................................................................ 27
• Drosophila melanogaster: i geni omeotici .............................................................................................................. 29
• Differenziamento cellulare in Drosophila melanogaster ........................................................................................ 31
• Modello animale: la lumaca di mare, Aplysia californica ..................................................................... 32
• Aplysia e la scoperta dei meccanismi di base e funzione dei neuroni ..................................................................... 33
• Aplysia in laboratorio .............................................................................................................................................. 36
• Il polpo (Octopus vulgaris) ...................................................................................................................................... 37
• Modelli animali: i vertebrati ................................................................................................................................. 37
• Modello animale: il pesce zebra (o Zebrafish), Danio rerio ....................................................................... 37
• Zebrafish: manipolazione genetica e ceppi mutanti ............................................................................................... 39
• Modelli sperimentali di Zebrafish ............................................................................................................................ 41
• Modello animale: la rana acquatica, Xenopus laevis ............................................................................. 42
• Modello animale: il pollo, Gallus gallus domesticus ............................................................................ 42
• Lateralizzazione del cervello nel pulcino ................................................................................................................. 44
• Il fenomeno dell’imprinting ..................................................................................................................................... 45
• Il canto degli uccelli canori come modello per il linguaggio umano ....................................................................... 460
• Il piccione come modello per l’apprendimento ....................................................................................................... 47
• Il pappagallo ALEX ................................................................................................................................................... 47
• Modelli animali da laboratorio ........................................................................................................................... 47
• Il ratto, Rattus norvegicus ....................................................................................................................................... 47
• Il topo, Mus musculus ............................................................................................................................................. 47
• I grandi roditori ....................................................................................................................................................... 48
• I carnivori ................................................................................................................................................................ 48
• I primati ................................................................................................................................................................... 49
• “Animal care” – La scienza dell’animale da laboratorio .......................................................................................... 49
• Fattori che influenzano la ricerca animale .............................................................................................................. 50
• Responsabilità del team di ricerca .......................................................................................................................... 53
• Gestione dell’animale da laboratorio (schema) ...................................................................................................... 53
• Origine degli animali utilizzati nelle sperimentazioni ............................................................................................. 53
• Background genetico .............................................................................................................................................. 54
• Modello animale: il topo, Mus musculus ..................................................................................................... 57
• Sviluppo del topo ..................................................................................................................................................... 59
• Il topo: un eccellente modello di sviluppo e patologia ............................................................................................ 63
• Il genoma murino e modelli animali geneticamente modificati ............................................................................. 64

Introduzione ai modelli animali

Un modello è un oggetto di imitazione, ossia qualcosa che somiglia in modo accurato a qualcos’altro.

Per animale si intende etimologicamente un organismo vivente animato. Biologicamente sono metazoi eucarioti pluricellulari che si nutrono per ingestione. Si differenziano dagli altri metazoi per il modo di nutrimento (le piante si nutrono per fotosintesi; funghi si nutrono per filtrazione).

Secondo la definizione dell’“American National Research Council Committee on Animal Models for Research and Aging” un modello animale è: un animale in una condizione che permette di studiare i processi biologici e i comportamenti di base, o in cui può essere studiato un processo patologico spontaneo o indotto, e nel quale il fenomeno assomiglia, almeno sotto un certo punto di vista, allo stesso fenomeno nell’uomo o in altre specie animali”.

Vi è una stretta relazione tra i modelli animali (scienza di base) e la ricerca clinica, lo sviluppo di terapie e servizi sanitari.

La scienza di base sviluppa modelli animali per nuove terapie e la comprensione di meccanismi alla base della fisiologia, della patologia e del comportamento.

Perché usare gli animali nella ricerca?

Animal Research.info

Gli animali sono impiegati nella ricerca quando vi sia una necessità di scoprire cosa accade nell'essere vivente nel suo insieme, che è di gran lunga più complesso della somma delle sue parti. È difficile, e nella maggior parte dei casi semplicemente non ancora possibile, sostituire nella ricerca l'uso di animali vivi con metodi alternativi.

Sono quattro le principali ragioni per cui gli animali sono utilizzati nella ricerca:

• Far crescere la comprensione scientifica

Accrescere la conoscenza scientifica attraverso la ricerca biologica di base ci aiuta a capire come funzionano gli esseri viventi e a mettere a frutto quella comprensione a beneficio degli esseri umani e degli animali. Lo studio degli animali rappresenta una parte importante di questo processo di ricerca. Molti processi cellulari di base sono uguali in tutti gli animali, e l'organismo degli animali è come quello degli esseri umani nel senso che loro espletano molte funzioni vitali come respirazione, digestione, movimenti, vista, udito e riproduzione. Per poter curare le malattie, medici e scienziati devono capire come funziona un organismo sano. Questo, a sua volta, porta ad una comprensione di ciò che succede all'organismo quando si ammala e come lo si può guarire.

Una buona parte della conoscenza dell'anatomia umana e delle funzioni dell'organismo deriva dai risultati scientifici della ricerca sugli animali. Mettere a confronto specie differenti e studiarne differenze e similarità, è un modo per acquisire una comprensione profonda. Perfino gli animali semplici possono essere utilizzati per studiare sistemi biologici complessi, come il sistema nervoso e il sistema immunitario, che seguono la stessa organizzazione e le stesse funzioni di base in tutti gli animali. Per esempio, si è imparato molto sulla funzione dei neuroni dallo studio dell'assone del calamaro gigante. Le informazioni derivanti da questo tipo di lavoro possono essere applicate sia agli animali superiori che agli esseri umani.

• Gli animali come modelli per lo studio delle malattie

Gli esseri umani e gli animali hanno in comune centinaia di malattie, di conseguenza gli animali possono fungere da modelli per lo studio delle malattie umane. Per esempio, i conigli soffrono di arteriosclerosi (indurimento delle arterie), di enfisema e difetti della nascita, come spina bifida. I cani si ammalano di cancro, soffrono di diabete, cataratte, ulcere e disturbi della coagulazione, come l'emofilia; ciò fa di essi i candidati naturali per la ricerca su detti disturbi. I gatti soffrono di alcune delle stesse insufficienze visive degli esseri umani.

Dai suddetti modelli si apprende come la malattia incide sull'organismo, come risponde il sistema immunitario, chi ne sarà colpito e anche altro. I modelli animali, oltre a favorire la comprensione delle malattie, permettono ai ricercatori di esplorare le potenziali terapie in un modo che sarebbe impossibile praticare nell'uomo. Lo studio dei meccanismi delle malattie nei modelli animali porta direttamente allo sviluppo di tecnologie nuove e farmaci a beneficio sia degli esseri umani che degli animali.

Gli animali nei quali siano state indotte alterazioni per generare modelli animali di malattie umane sono definiti modelli indotti. Per esempio, se chirurgicamente si danneggia una determinata sezione del midollo spinale nei topi, questo genera dei sintomi uguali a quelli osservati in pazienti con simili danni al midollo spinale.

Questi modelli animali aiutano i ricercatori a comprendere ciò che avviene nell'organismo a seguito di questo tipo di danno, infatti sono utilizzati per lo sviluppo di nuovi farmaci.

I recenti progressi nella tecnologia genetica hanno consentito lo sviluppo di animali transgenici, i quali con l'inserimento di nuovi geni nel loro DNA, hanno potuto sviluppare delle malattie umane che generalmente non colpiscono gli animali in modo naturale. In particolare, ciò ha consentito ai topi di modellare molte malattie umane che fino ad allora era stato difficile studiare. Un esempio è lo studio dell’Alzheimer familiare in cui la proteina amiloide si deposita a livello neuronale: trasferendo i geni malati umani nel topo è possibile ottenere un quadro clinico uguale all’uomo in cui nel cervello murino si accumuleranno le stesse proteine.

• Sviluppare e sperimentare potenziali forme di trattamento

Una volta che i ricercatori approfondiscono la conoscenza di una determinata malattia, gli animali sono utilizzati per sviluppare e compiere esperimenti per potenziali farmaci come parte integrante del processo di ricerca applicata. Per esempio, i farmaci per il morbo di Parkinson sono stati sviluppati grazie all'utilizzo di modelli animali nei quali sono stati indotti sintomi simili a quelli del Parkinson. Questi modelli costituiscono una parte essenziale dell'applicazione della ricerca biologica ai problemi medici reali e consentono nuovi obiettivi finalizzati all'individuazione di modalità di intervento sulle malattie.

Acquisire dati attraverso gli studi sugli animali è necessario prima che nuove tecniche terapeutiche e procedure chirurgiche possano essere testate sull'uomo. Gli strumenti di diagnostica come scanner, impianti di pacemaker cardiaci o di anca artificiale, sono sicuri ed efficaci solo perché sono stati sviluppati e testati sugli animali. Molte tecniche chirurgiche come interventi chirurgici a cuore aperto e trapianti cardiaci, si avvalgono di metodi e strumentazione sviluppati utilizzando gli animali.

• Proteggere la salute pubblica, quella degli animali e dell'ambiente

Per i farmaci nuovi sono necessari gli esperimenti, in quanto i ricercatori devono quantificare tanto gli effetti benefici quanto quelli dannosi, che un composto può avere sull'organismo nel suo complesso. Un farmaco inizialmente viene testato in vitro con l'utilizzo di tessuti e organi isolati, ma per ciò che concerne la parte legale ed etica deve essere testato anche su un modello animale idoneo prima che possano essere avviati gli studi clinici sull'uomo.

I test sugli animali forniscono dati su efficacia e sicurezza. Oltre ad individuare potenziali problemi di sicurezza, stabiliscono anche le dosi da somministrare a volontari e pazienti durante gli studi sull'uomo. I test sugli animali, inoltre, sono utili per proteggere consumatori, lavoratori e ambiente dagli effetti dannosi delle sostanze chimiche. Tutte le sostanze chimiche per uso commerciale o personale devono essere testate, onde conoscere il loro effetto sull'uomo e sugli animali esposti ad esse. Le sostanze chimiche che utilizziamo ogni giorno possono accumularsi nell'acqua, sul suolo o nell'aria circostante, perciò occorre studiare approfonditamente il loro potenziale impatto sull'ambiente.

Evoluzione e filogenesi

La teoria dell’evoluzione – progenitore comune a tutti i viventi, filogenesi dell’uomo da altri animali – fornisce la base razionale per l’uso di animali come modello per l’uomo.

Infatti, la discendenza comune (presenza di un antenato comune) spiega perché la ricerca biomedica negli animali è applicabile nell’uomo. Infatti le funzioni di base delle cellule e degli organi sono le stesse negli animali e nell’uomo perché filogeneticamente collegati.

• Non è possibile distinguere una cellula umana da una cellula animale al microscopio se non contando il numero di cromosomi o utilizzando opportuni markers.
• La relazione tra i neuroni è stata scoperta nell’Aplysia, un modello animale che presenta un numero ridotto di neuroni: ciò non sarebbe stato possibile nell’uomo data l’enorme complessità, mentre l’organismo semplice ha permesso di capirne il funzionamento (i neuroni funzionano tutti allo stesso modo).
• La glicolisi è uguale in tutti gli organismi.
• A livello fisiologico ed anatomico, gli animali e gli uomini sono tanto più simili quanto più sono filogeneticamente (ed evolutivamente) vicini.
• Mutazione del gene kit: riguarda un gruppo di cellule che migra dalla cresta neurale e va a formare alcune zone di epidermide. La manifestazione fenotipica, con macchie non pigmentate di forma caratteristica su addome e fronte, è la stessa nell’uomo e nel topo (gene conservato).

Questo è un esempio che giustifica il fatto di poter modificare un gene che è alla base di una disfunzionalità patologica in topo e utilizzare i risultati per comprendere la malattia nell’uomo.

• I processi nelle prime fasi di sviluppo embrionale sono gli stessi, soprattutto nei mammiferi e in generale nei vertebrati. Infatti l’embrione umano, in un momento molto precoce, è difficilmente distinguibile da embrioni di altre specie.
• L’utilizzo degli animali nella ricerca permette lo studio di più generazioni, dato il loro breve ciclo vitale. Inoltre, è possibile controllare l’ambiente in cui vivono per ridurre al minimo le variabili sperimentali: un buon esperimento dipende da quanto si riesce a controllare le variabili (sia esterne che interne, come la genetica) che interferiscono con la variabile principale che lo sperimentatore sta valutando.
• La ricerca animale non può essere sostituita da modelli computazionali, studi “in vitro” o colture cellulari, perché questi ultimi non possono duplicare le i