Según el DRAM[1], el término modelo puede tener tres acepciones:
- Persona, objeto o acción que se imitan o se consideran dignos de imitación.
- Réplica a pequeña escala de un determinado objeto o sistema.
- Esquema conceptual, generalmente expresado en forma matemática, que interpreta o predice el comportamiento de un sistema en el que se desarrolla un fenómeno determinado.
En la última definición encajarían los modelos conceptuales, los matemáticos (deterministas o probabilísticos) e incluso los computacionales. El segundo significado abarcaría los distintos modelos físicos. Son de estos últimos de los que se discutirá a continuación.
Para la investigación médica se utilizan múltiples modelos físicos, que se pueden dividir en modelos in vitro y modelos in vivo. Van desde la célula (unidad estructural y funcional mínima que, rodeada por una membrana, es capaz de constituir un sistema viviente) hasta organismos complejos como el ser humano (figura 1).
Figura 1. Model Systems in the Life
Sciences. Organisms comprise a hierarchy of systems from the subcellular level
to the whole body. In the life sciences, many models have been developed across
this organismal hierarchy, to address specific questions across biology and
medicine. Each model system possess unique attributes; in general, with
increasing scale comes increasing system complexity and challenges in cell
culture and the reduced availability of biochemical and quantitative tools,
which can limit study insights. Organoid models provide a unique opportunity to
incorporate moderate system complexity while still affording many tools for
probing structure and function. When compared to tissue explants, organoid
systems can mimic similar cell-cell and cell-matrix interactions while
maintaining the ability for long-term cultures thanks to maintained signaling
cues important for survival. Tomada de Yin et
al, 2016.
Por in vitro se entiende «que sucede o que tiene lugar en un tubo de ensayo, en un medio de cultivo o en otro ambiente artificial en el laboratorio»1. Los modelos in vitro incluirían en orden de menor a mayor grado de complejidad:
Cultivos celulares. Pueden proceder de células aisladas de un organismo animal (células primarias), que posteriormente se pasan a un medio de crecimiento en suspensión o sólido, con unas condiciones específicas. También pueden generarse líneas celulares específicas, muy utilizadas en los estudios del cáncer, como las célulasHeLa. Tanto las células como las condiciones ambientales pueden ser manipuladas. Estos cultivos celulares en dos dimensiones (2D) carecen de las interacciones celulares heterogéneas y las condiciones microambientales del sistema in vivo, por lo que su funcionalidad puede verse afectada. Permiten estudiar la actividad interna de un tipo celular particular, su interacción intercelular y su comportamiento ante la modificación de factores internos o externos. En los cultivos celulares en tres dimensiones (3D), como los esferoides, se forman agregados de distintos tipos celulares (células mesenquimales, células tumorales). Pueden representar una mejora en cuanto a la interacción celular heterogénea, pero no respecto a la estructura ni el ambiente tisular.
Cultivostisulares o cultivos de tejidos. Puede tratarse de láminas de tejidos obtenidos directamente de organismos vivos, o de tejidos creados artificialmente a partir de cultivos celulares. Representar mejor las condiciones del sistema in vivo, sin embargo, tienen poca estabilidad.
Cultivosde órganos. Cultivo de primordios embrionarios, de órganos, de unidades anatomofuncionales de los mismos o de células inicialmente dispersas pertenecientes a distintas poblaciones de un órgano que mediante técnicas de bioingeniería reproducirían su estructura1. Se podrían utilizar para crear biomateriales artificiales.
Organoides. También llamados mini‑órganos. En fase experimental. Son masas de tejido diminutas en 3D, creadas en el laboratorio a partir de célulasmadre, con la capacidad de diferenciarse a distintos tipos celulares y de regenerarse. Podrían adoptar la estructura y características de un tejido, un órgano o un tumor. Se pueden utilizar para estudiar el desarrollo fisiológico o tumoral, para probar fármacos o para sustituir tejidos u órganos dañados, como los islotes de Langerhans pancreáticos en la diabetes mellitus o el epitelio intestinal en la enfermedad inflamatoria intestinal (figura 2).
Figura
2. Organoid Development. The process of organoid formation is similar to
organism development originating from a zygote and giving rise to a mature
adult organism. This includes precisely controlled differentiation,
proliferation, and apoptosis paired with multi-cellular self-organization and
patterning, which leads to diverse mature tissues. Organoid systems are derived
from ESCs (isolated from a blastocyte), iPSCs (reprogrammed from adult
tissues), or ASCs (isolated from mature tissues). The driver stem cell
population undergoes a similar process of culture-controlled differentiation
and self-organization to give rise to tissue-specific organoids. In the case of
uncontrolled differentiation (and especially following transplantation), PSCs
will produce teratomas, self-organized multi-tissue tumors. Bioengineering
strategies can be used to further control differentiation and organization of
organoid systems to be further developed into models more representative of
in vivo tissues. Tomada de Yin et al, 2016.
Si entendemos invivo1 como «que sucede o que tiene lugar en el organismo vivo», los modelos in vivo incluirían microorganismos, animales de experimentación y ensayos clínicos en humanos.
Esclerosis
múltiple
La esclerosis múltiple (EM) es la enfermedad desmielinizante neurodegenerativa más frecuente entre los adultos jóvenes (20-40 años), con mayor prevalencia entre las mujeres. Su causa es desconocida, aunque parece tener una base autoinmunitaria, asociada a una predisposición genética y a factores contribuyentes o desencadenantes (ambientales, infecciosos, etc.).
Afecta a las neuronas del sistema nervioso central (SNC) (cerebro, tronco, bulbo, cerebelo, médula, nervio óptico). Las neuronas son las células principales del sistema nervioso, formadas por un cuerpo celular o soma, rodeado de terminaciones o dendritas, y una prolongación larga o axón. Las neuronas se comunican a través de sustancias o neurotransmisores que son liberados desde la terminación axónica de una neurona hacia las dendritas de otra neurona próxima (sinapsis). Para la liberación de los neurotransmisores, el impulso nervioso se transmite a través del axón desde el cuerpo neuronal, mediante un proceso de despolarización. Los axones están recubiertos por segmentos de una vaina de mielina (material lipoproteico) formada en el SNC por las células de la oligodendroglía y en el sistema nervioso periférico por las células de Schwann. Estas células se encargan de regenerar la mielina si es dañada (remielinización). La vaina de mielina protege al axón y aumenta la velocidad de conducción del impulso nervioso (figura 3). En la EM, las propias células inmunitarias del paciente (microglía, linfocitos, etc.) atacan la mielina. Posteriormente, también se puede dañar el axón. En las imágenes radiológicas de diagnóstico (resonancia magnética nuclear) se pueden apreciar zonas de desmielinización bien definidas, por las que la enfermedad también se ha denominado esclerosis en placas.
La EM puede presentar varios patrones clínicos con distinto pronóstico: EM recurrente-remitente o en brotes, se caracteriza por episodios agudos o brotes que pueden dejar o no secuelas, seguidos de periodos de remisión; EM primariamente progresiva, su inicio es insidioso, pero la evolución es continua y progresiva; EM secundariamente progresiva, tiene un inicio en brotes pero a lo largo de los años (décadas) evoluciona hacia la forma progresiva; EM progresiva remitente, desde el inicio desarrolla un cuadro progresivo, pero con brotes sobreañadidos.
Modelos de
esclerosis múltiple
Modelos in vitro
Cultivos celulares de células inmunitarias del SNC (microglía), células del ambiente local (astrocitos), células productoras de mielina (oligodendrocitos) y de sus progenitoras, etc. Permiten estudiar el funcionamiento celular y su respuesta a distintos factores durante la desmielinización y la remielinización. Como otros modelos celulares tienen la desventaja de que no reproducen el ambiente y las interconexiones celulares, por lo que puede variar de su respuesta en los tejidos.
Cultivos tisulares procedentes de animales de experimentación. Reproducen mejor las condiciones. Pueden utilizarse para estudiar procesos de desmielinización y remielinización provocada por agentes tóxicos, así como la respuesta a fármacos remielinizantes.
Organoides, basados en oligodendrocitos y células precursoras de oligodendrocitos (generadas de novo a partir de células madre humanas). Estos modelos evitan las diferencias entre especies de los modelos animales. Además, si se pudieran reprogramar células madre adultas de pacientes, que llevarían consigo la carga genética, se podrían estudiar mejor los factores genéticos y la fisiopatología de la enfermedad, y diseñar terapias dirigidas. Estos modelos todavía están en fases iniciales (figura 4).
Modelos in vivo
Animales de experimentación. En animales no se ha detectado la EM, por lo que los modelos utilizados intentan reproducir el proceso de desmielinización y remielinización. Se han empleado tres aproximaciones, en diversas especies (ratones, ratas, primates, cerdos, pez cebra).
1) Modelos
autoinmunitarios o inflamatorios
Encefalitis alérgica experimental (EAE). Es el más usado. En este modelo se activa la respuesta inmunitaria del animal mediante un estímulo externo que activa linfocitos T autorreactivos (inmunización por un autoantígeno [componentes de la mielina] o transferencia de linfocitos T autorreactivos, junto con alguna bacteria, normalmente Bordetella pertussis, que provoca la expansión clonal de los linfocitos T). Se pueden estudiar los procesos de neuroinflamación, desmielinización y remielinización. Los primates desarrollan un cuadro parecido a la enfermedad aguda, sin embargo, por cuestiones éticas y económicas no se suelen utilizar. Los ratones presentan muchas diferencias a nivel inmunitario con los humanos, aunque son un modelo adecuado para el cuadro crónico y progresivo. En ratas se puede estudiar mejor la afectación del cerebelo, el bulbo y la médula espinal. No sirven para estudiar la remielinización.
Víricos. Se provoca la desmielinización mediante la infección por virus como el virus de la encefalomietitis murina de Theiler de los ratones (cuadro progresivo de desmielinización con afectación medular, no se puede distinguir la afectación directa por el virus de la autoinmunitaria), la cepa A7 del virus del bosque Semliki (procesos de desmielinización-remielinización), virus de la hepatitis del ratón (MHV) (mejor modelo para estudiar la discapacidad progresiva, aunque no se conocen bien sus mecanismos patogénicos).
Una diferencia importante entre la EAE y los modelos inducidos por virus es que en la EAE la respuesta autoinmunitaria depende sobre todo de los linfocitos T, mientras que en los víricos depende de la microglía.
2) Modelos de desmielinización-remielinización
Sustancias tóxicas. La cuprizona produce lesiones desmielinizantes mientras dura su administración, pero cuando se suspende, hay un proceso de remielinización. Además, suprime la respuesta de los linfocitos T, por lo que se pueden estudiar estos procesos de forma independiente a la respuesta inmunitaria. La lisolecitina daña la mielina en placas e induce una respuesta inflamatoria, también se sigue de remielinización. El bromuro de etidio daña los astrocitos, gracias a este modelo se ha observado que la remielinización dependiente de los oligodendrocitos precisa de la presencia de los astrocitos. La técnica de estos modelos es compleja, lo que limita su uso.
3) Animales transgénicos. Se manipulan genes implicados en la respuesta inmunitaria o que codifican proteínas de la mielina. Los genes se pueden insertar o eliminar (ratones Knockout). Sirven para el estudio específico de la función de un gen o proteína.
Ensayos clínicos en humanos. Se trata, en su mayoría, de estudios diseñados para probar nuevos tratamientos, que ya han superado una fase de investigación in vitro y en modelos animales.
Implicaciones,
ventajas, desventajas y limitaciones de los modelos
Con los modelos descritos, como con muchos modelos biológicos, no se pretende obtener una explicación al por qué, sino más bien al cómo. Son instrumentos diseñados para comprender los procesos de mielinización y desmielinización, la respuesta inmunitaria y la fisiopatología de la EM. También para probar la respuesta a tratamientos farmacológicos.
Hay que tener en cuenta las dificultades asociadas al estudio de la EM. Por una parte, los estudios sobre muestras de pacientes son complejos, tanto técnica como éticamente, porque afectan al sistema nervioso central. No es igual de sencillo realizar una extracción de sangre o una biopsia de hígado, músculo o cualquier otro tejido, que una biopsia cerebral o una punción lumbar. A lo que hay que añadir las repercusiones funcionales y éticas. Por tanto, en este caso disponer de modelos adecuados es fundamental. Por otra parte, es una enfermedad que no se presenta de forma natural en los animales y no conocemos su causa exacta. Por lo que en los modelos animales se intentan reproducir, con distintos métodos, los hallazgos histopatológicos observados en los pacientes, principalmente los procesos de neuroinflamación, desmielinización y remielinización; pero no la causa. Servirán sobre todo para conocer mejor estos procesos, sus mecanismos reguladores y valorar la respuesta a fármacos.
Sin embargo, en otras enfermedades los modelos pueden ser más representativos. Por ejemplo, en el estudio de una enfermedad infecciosa con la que se pueden infectar otras especies, los daños observados en el modelo animal derivarían de la propia infección, y sí se podrían desarrollar y probar fármacos contra el agente patógeno (la causa). No obstante, siempre habría que considerar cierto grado de variabilidad entre especies.
Por tanto, en este caso, los modelos descritos son representaciones simplificadas del sistema de referencia, que se utilizan como instrumentos para facilitar y ampliar su comprensión, o para ensayar intervenciones sobre el mismo. Ahora bien, ¿se pueden considerar suficientemente representativos para ser útiles? Depende de la finalidad del estudio y de qué sistema se considere como referencia, ¿un tipo celular concreto, la respuesta inmunitaria, la desmielinización y remielinización, el paciente con la esclerosis múltiple?
Los cultivos celulares permitirán estudiar el funcionamiento interno de un tipo celular, sin embargo, carecen de la conexión con otras células y de las condiciones de su microambiente natural. Los cultivos tisulares proporcionan un ambiente más adecuado, aunque tampoco reproducen las condiciones fisiológicas ni las patológicas de la enfermedad.
Entre los modelos animales inflamatorios, algunos están más indicados para los cuadros agudos y otros para la afectación crónica o progresiva. Los modelos animales inducidos por sustancias tóxicas están más orientados al estudio de la desmielinización-remielinización, no obstante, son técnicas complejas. Y los animales transgénicos sirven para estudiar la función específica de un gen o proteína.
En todos estos modelos se pueden probar fármacos, pero con las limitaciones descritas para cada tipo. De hecho, hay fármacos que en modelos tisulares o animales han obtenido resultados positivos, pero no se han repetido en los ensayos clínicos con humanos.
Los organoides probablemente sean el futuro. Si se parte de células madre adultas humanas, resolverían el problema de las diferencias entre especies, y guardarían mayor similitud con los organismos vivos que los cultivos celulares o los cultivos tisulares. Si, además, las células perteneciesen a enfermos de EM, el modelo podría tener como referencia al propio paciente y se podrían estudiar los mecanismos genéticos. Además, abriría la puerta a terapias dirigidas y reduciría la necesidad de utilizar animales de experimentación. No obstante, son modelos que están todavía en fases iniciales (figura 5).
En conclusión, los modelos in vitro e in vivo que se utilizan en la investigación biomédica son representaciones simplificadas de sistemas de referencia biológicos, que pueden abarcar desde la célula hasta el organismo complejo. Y aunque tienen sus limitaciones, son instrumentos útiles para ampliar el conocimiento sobre los procesos biológicos, la fisiopatología de las enfermedades y la utilidad de los tratamientos farmacológicos.
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