Crédito: UC Riverside

Investigadores de la Universidad de California, en Riverside, forman parte de un ambicioso plan de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, o EPA, para eliminar las pruebas con animales antes de 2035. Su contribución: desarrollar una forma de comprobar si las sustancias químicas causan defectos de nacimiento musculoesqueléticos utilizando tejido humano cultivado en laboratorio, no animales vivos.

Nicole zur Nieden, profesora asociada de biología molecular, celular y de sistemas, y David Volz, profesor asociado de toxicología ambiental, son expertos en alternativas a las pruebas de toxicidad reglamentarias y en política y regulación de sustancias químicas. Recibieron 849.811 dólares para cultivar células madre humanas en tejido similar al óseo con el fin de analizar las sustancias químicas industriales y medioambientales que podrían interferir en el crecimiento del feto.

Los defectos de nacimiento que afectan a los tejidos musculoesqueléticos pueden estar causados por ingredientes químicos de pesticidas, fungicidas, pinturas y aditivos alimentarios. Las sustancias químicas nocivas deben ser identificadas mediante pruebas para poder ser reguladas. En la actualidad, estas pruebas se realizan en animales vivos, normalmente roedores como los ratones.

El proyecto de la UC Riverside, dirigido por zur Nieden, estimulará las células madre pluripotentes humanas, que tienen la capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula, con agentes que las dirijan a formar células óseas. Las células pasarán por las mismas etapas de desarrollo y estarán sujetas a las mismas señales moleculares que en un embrión humano. Los investigadores expondrán las células a sustancias químicas seleccionadas en momentos críticos y luego las evaluarán mediante técnicas avanzadas de imagen y secuenciación de nueva generación.

Las células óseas pueden desarrollarse a través de tres vías diferentes. zur Nieden utilizará sustancias químicas que se sabe que afectan a rutas específicas del desarrollo óseo para buscar patrones en la forma en que las sustancias químicas afectan a estos orígenes. Los patrones servirán como planos para probar sustancias químicas desconocidas. A continuación, los investigadores probarán sustancias químicas desconocidas y las compararán con bibliotecas de compuestos previamente recopiladas que ya han sido probadas en animales para ver la precisión de las pruebas en placas de Petri, o in vitro, para evaluar el riesgo.

Una característica distintiva de las células formadoras de hueso es que fabrican una matriz ósea de pequeños cristales llamados hidroxiapatita, que finalmente forman fosfato de calcio, la materia blanca en la superficie de todos los huesos. El análisis visual, que ahorra costes, puede ayudar a identificar defectos en el calcio.

«Los cristales de calcio parecen blancos cuando se ven con los ojos», dijo zur Nieden. «Pero cuando se observan los cultivos mediante un microscopio de contraste de fase, se invierte la luz, de modo que los cristales normales aparecen de color negro. Los cristales anormales tendrán más blanco y tonos de gris. Se puede utilizar un algoritmo de análisis de imágenes para medir la negrura en las imágenes y determinar si el calcio se ha formado correctamente o no.»

Las pruebas sin animales ya son habituales

Los científicos saben desde hace tiempo que los animales difieren de los humanos en importantes aspectos fisiológicos y de desarrollo, y que los resultados de las pruebas con animales no siempre son fiables para las personas. Además, la investigación con animales es costosa y requiere mucho tiempo, además de ser cada vez más insostenible por razones éticas. Hace casi 25 años que se desarrollan alternativas sin animales, y algunas ya son estándar.

«Para el público en general, el anuncio de la EPA pareció surgir de la nada», dijo Volz, cuyo laboratorio secuenciará el ARN mensajero en células óseas expuestas a sustancias químicas del laboratorio de zur Nieden para buscar cambios en la expresión genética. «No ocurrió de la noche a la mañana. Ese tren ya ha salido de la estación».

Volz dijo que el Programa de Ciencia para Lograr Resultados de la EPA, a través del cual la UC Riverside recibió la nueva subvención, ha estado financiando la investigación sobre alternativas a los animales durante más de 10 años.

El plan de la EPA para poner fin a las pruebas con animales para el año 2035 es una continuación de los cambios anteriores en la Ley de Control de Sustancias Tóxicas, o TSCA, promulgada en 1976. La TSCA autoriza a la EPA a regular las sustancias químicas que se encuentran en productos de consumo como productos de limpieza, muebles, pintura, alfombras, ropa y otros bienes de consumo. La regulación en virtud de la TSCA no se aplica a las sustancias químicas de los alimentos, los medicamentos, los cosméticos y los plaguicidas, que se regulan en virtud de leyes diferentes.

Incluso después de la TSCA, miles de sustancias químicas comunes que se utilizan en todo, desde el plástico hasta el protector solar, nunca se han probado para la seguridad en los seres humanos. En 2016, el Congreso aprobó la Ley de Seguridad Química Lautenberg, que modificó la TSCA para cerrar el vacío legal de los productos químicos industriales. La ley obligaba a la EPA a evaluar las sustancias químicas existentes con plazos claros y ejecutables, y a desarrollar evaluaciones químicas basadas en el riesgo. La ley fomentaba el uso de métodos de ensayo sin animales, algo que buscaban tanto la industria como los grupos defensores de los animales.

Las alternativas a los animales podrían tener límites

El nuevo plan de la EPA introduce un calendario agresivo para acelerar el desarrollo de ensayos sin animales que puedan predecir con exactitud la toxicidad en humanos. Volz afirmó que Estados Unidos va por detrás de otros países del mundo, que ya han reducido en gran medida las pruebas con animales. Dijo que cada vez se relaciona con menos estudiantes interesados en la investigación con experimentos en animales, y que nuestra cultura está cambiando hacia el deseo de reducir el sufrimiento de los animales.

Pero ni Volz ni zur Nieden están seguros de que las pruebas en animales puedan ser reemplazadas por completo, una posición de la que se hace eco el memorando de la EPA, que establece que después de 2035, las pruebas en animales se aprobarán caso por caso. Algunos productos químicos, por ejemplo, no son directamente tóxicos para las células, sino que se vuelven tóxicos después de ser metabolizados en el cuerpo.

«Si el resultado es que el producto químico no interfiere con el desarrollo de una célula madre humana en un plato, ¿cómo se puede estar seguro de que no está sucediendo realmente en los seres humanos? La mejor manera que tenemos de evaluar eso es un experimento con animales», dijo zur Nieden. «Al mismo tiempo, queremos hacerlo de forma adecuada. Tenemos que pensar si esto es realmente necesario. ¿Podemos plantearnos la cuestión de otra manera?»

Zur Nieden cree que necesitamos un sistema escalonado, en el que las pruebas in vitro eliminen primero las sustancias químicas más tóxicas, y las pruebas con animales se utilicen cuando las pruebas in vitro no revelen su toxicidad.

«Si no se puede sustituir totalmente una prueba con animales por un método in vitro, al menos se puede reducir el sufrimiento del animal. Si se piensa en un producto químico altamente tóxico que tiene efectos en la madre al estar expuesta durante el embarazo, así como en los embriones en desarrollo, si se puede utilizar un sistema de pruebas in vitro para encontrar todos estos productos químicos fuertemente tóxicos, no será necesario probarlos en un animal», dijo.

Las versiones anteriores del sistema de pruebas que zur Nieden utilizará para la nueva investigación musculoesquelética han sido capaces de identificar productos químicos embriotóxicos para otros tejidos, como el tejido cardíaco, con una precisión de casi el 100 por ciento.