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Las dos caras de la aspirina

 

La aspirina es un fármaco habitual en nuestras vidas. Para bien o para mal todos hemos oído hablar de ella y pocos (por no decir ninguno) se ha librado de su(s) efecto(s). Si dando un paseo en bici nos caemos y nos damos un golpe en la rodilla lo primero que hacemos al llegar a casa es tomar una aspirina para que baje la inflamación. Si por lo que sea nos duele la cabeza, el  estómago, tenemos algunas décimas de fiebre recurrimos una y otra vez al uso o abuso de este fármaco. Incluso las personas que tienen riesgo de padecer infarto lo utilizan. Lo que a priori nos puede resultar un fármaco genérico más que conocido y estudiado puede darnos alguna que otra sorpresa que no esperaríamos y que pretendemos destapar en este artículo, además de aseguraros que el remedio universal a todos los males menores no radica en esta pastilla que lo cura todo sino en una supuesta versión mejorada.

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A nivel molecular                                                                                                                                                                         .

Aunque pueda parecer absurdo, el estudio de cualquier fármaco a nivel molecular puede destaparnos algún que otro detalle a posteriori de manera que vamos a hacer un retrato o sinopsis más bien sencilla y escueta del esqueleto de nuestra aspirina o acido acetil salicílico:

La fórmula contraída del compuesto es C9H8O4. En cuanto a grupos funcionales la cosa está bastante clara. Un anillo aromático une por el C1 un grupo carboxil y por el C2 un acetiloxi. Una base estable energéticamente que divide dos picos de electronegatividad en direcciones perpendiculares.

 

Representaciones del ácido acetilsalicílico.

Representaciones del ácido acetilsalicílico.

 

A nivel fisiológico                                                                                                                                                                        .

Ahora viene la pregunta del millón, la que nadie se hace pero es necesario responder, ¿Cómo actúa en el cuerpo?

Antes de nada indicar que la aspirina no cura, no reestablece ningún parámetro alterado ni devuelve el orden normal a la fisiología local. La única misión de  esta molécula es omitir el dolor, conseguir que no se produzca y por tanto eliminar los síntomas de un mal menor que puede ser devuelto al orden preestablecido por el propio organismo sin dificultar alguna.

Volviendo a la aspirina, vamos a comprender como actúa antes de determinar los posibles peligros que puede suponer para el organismo. El dolor que inhibe la aspirina se mide según la molécula de prostaglandina que se sintetiza a partir de un precursor y una enzima que cataliza la reacción. El precursor es un viejo conocido de la química, el ácido araquidónico, y la enzima es la COX o ciclooxigenasa.

La farmacodinámica de la aspirina consiste en acetilar un residuo del aminoácido Serina que se halla en el centro activo de la enzima, ésta cambia parcialmente su conformación tridimensional para este espacio de tal manera que el ácido araquidónico no puede ser catalizado y el marcador químico del dolor no se expresa. Hasta aquí todo bien, pero, ¿dónde yace el riesgo de consumir este medicamento¿

La COX es una enzima que se divide en dos formas o isoformas que son la COX1 y COX2, aunque estén relacionadas no  cumplen exactamente la misma función aunque a ojos de la aspirina sean iguales. Las dos isoformas de la COX se originan a partir de la misma secuencia génica que sufre variaciones y el proceso es conocido como splicing alternativo. Aunque hay diferentes tipos de splicing, se puede resumir que a partir de un mRNA primario se modifica la secuencia transcrita para obtener diferentes traducciones. Sería algo similar a obtener diferentes versiones de una misma proteína con el mismo núcleo genético pero que pueden diferenciar en X aminoácidos.

Tanto COX1 como COX2 son idénticas, únicamente difieren en un único aminoácido que no se halla en el centro activo y la aspirina las reconoce por igual. La primera isoforma es la encargada de sintetizar prostaglandinas con el objetivo de marcador de dolor además de mediador en agregación plaquetaria y protección intestinal. La COX2 actúa a modo de marcador inflamatorio y se puede encontrar en el tejido epitelial de algunos órganos.

Cuando la aspirina bloquea la COX1 además de la COX2 y mientras tanto se da algún proceso digestivo no sucede nada debido a la cinética de reacciones el problema se da cuando la aspirina bloquea la COX2 instantes antes de que se dé la digestión donde el HCl (ácido clorhídrico) puede crear úlceras en el estómago.

Por el contrario, cuando bloquea la COX2 como efecto poco frecuente puede darse la irritación de la piel y espasmos bronquiales al inhibir algunos procesos de defensa en el tejido epitelial que recubre los bronquios y exterior pulmonar.

 

Proteína COX.

Proteína COX.

Pero no todo iban a ser contraindicaciones, para nada letales ni siquiera importantes si se tratan con tiempo y los recursos necesarios, también existe esperanza en la vanguardia de investigación. Desde hace años se está trabajando en el proyecto coxib, son inhibidores específicos o selectivos de determinados tipos de COX que por lo tanto ofrecen menos efectos secundarios que el ácido acetil salicílico. No se ha documentado todavía el mecanismo de inhibición con exactitud pero podemos conocer los efectos de su inhibición.

Así pues el bloqueo de la isoforma 1 implica evitar los efectos secundarios sobre el tracto gastrointestinal y renal mientras que el de la segunda isoforma evita la respuesta inflamatoria y de fiebre.

Ningún medicamento es una solución o quimera a una enfermedad completamente gratuita, hay que pagar  un precio y un riesgo de efectos secundarios que difícilmente sea posible paliar en un futuro cercano y pretendo con este artículo demostrar que la aspirina no es un cúralo todo eficaz ni de lejos.

 

Ricina y Breaking Bad

*Esta entrada NO CONTIENE spoilers de la serie Breaking Bad, NINGUNA de las referencias explícitas a la serie o sus personajes desvela parte o totalidad de la trama.

 

Todos los seriéfilos conocen de la habilidad del Dr. Walter White para sintetizar compuestos químicos altamente puros que sobrepasa la realidad. Bajo un conocimiento tremendamente amplio en química inorgánica y una técnica impecable, al protagonista de Breaking Bad lo mismo le da trabajar hasta tarde para producir metanfetamina en una caravana que en obtener  un explosivo o tóxico para salir de alguno de sus típicos apuros.

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En varios capítulos, el Dr White propone a su compañero de fechorías – el narcotraficante Jesse Pinkman – envenenar a algún capo de la droga con ricina. ¿Cómo? Muy fácil, aunque se trate de dos moléculas completamente distintas, los polvos de ricina y los de metanfetamina son indiferenciables a simple vista. Así pues, algo tan común o usual como la distribución de droga entre la competencia puede acabar con un fatal desenlace si se mezclan ambas sustancias.

En esta entrada vamos a ver que es la ricina, su fabricación y su efecto. También nombraremos algunos de los usos o potencialidades que tiene.

 

La ricina es una proteína extraída de las semillas de la planta de Ricino - Ricinus communis -. Aunque su proceso de extracción tiene una patente, el método es muy parecido al de de otras proteínas, por ejemplo la de la planta de soja. El producto final es un polvo fino de color blanco, inodoro e insípido. Como podréis comprobar en la serie, es una sustancia totalmente irreconocible de la metanfetamina.

Semillas de Ricina

Semillas de Ricina

 

La toxina de la que hablamos es una proteína de unión a ribosoma que lo inactiva. El ribosoma es el orgánulo encargado de la fabricación de otras proteínas para la célula, de manera que cuando queda completamente bloqueado por causa de la obstrucción de la ricina se inhibe la síntesis proteica.

A nivel fisiológico los primeros efectos notables de su ingesta son vómitos, diarrea y deshidratación. ¿A qué se deben? El hígado no podrá sintetizar las proteínas que se encargan de los procesos básicos de digestión por lo que todo lo ingerido se rechaza sin ser completamente digerido. La deshidratación es un efecto secundario a los dos primeros síntomas que hemos comentado.

Ribosoma traduciendo hebra de ARN.

Ribosoma traduciendo hebra de ARN.

 

Los efectos no son los mismos cuando se inhala puesto que las células expuestas – por tanto, las afectadas – pertenecen a otros órganos y tejidos. Su aparición se hace incluso todavía más notable, en un período de hasta 6 horas después de administrarse se puede desarrollar tos con sangre debido a la disfunción alveolar producida en todo el sistema respiratorio.

Si bien hasta aquí parece que tenemos indicios de una gripe común – en lo que refiere a su ingesta – pasados tres o cuatro días y si el paciente no ha fallecido se acusarán los primeros síntomas a la par que aparecerán hemorragias intestinales. Normalmente, la intoxicación por ricina suele causar la muerte antes de los diez días.

La dosis mortal de ricina para un humano puede extraerse de entre 4 y 8 semillas, siendo mortal en todas sus posibles formas de administración. No existe antídoto conocido, a pesar de que hace unos años se desarrollara un método para producir la antitoxina, la patente fue retirada después de su proceso de fabricación se pusiera en duda.

Estructura proteica de la ricina.

Estructura proteica de la ricina.

Sorprendentemente, la toxina del ricino se está probando como uso médico en el tratamiento del cáncer y en el desarrollo de vacunas. También ha sido utilizada en el presente y último siglo como arma química.

Así pues, aunque la cara angelical del Sr Walter White diga todo lo contrario, el químico más afamado de las series americanas sabía lo que se traía entre manos. Si queréis saber más sobre esta historia y como acaba este baile de moléculas os recomiendo que veáis la serie. Son 5 temporadas repletas de guiños químicos y un argumento envolvente del que no os podréis deshacer.

Walter White y vial de ricina.

Walter White y vial de ricina.

 

 

***NOTA IMPORTANTE: LA FABRICACIÓN DE METANFETAMINA Y/O RICINA ES UNA ACTIVIDAD ILEGAL.

Reprogramando células madre in vivo

En los albores del nuevo milenio – hacia el 2006 – un investigador japonés daba el campanazo anunciando el gran hito de la medicina regenerativa. El Dr. Shinya Yamanaka había conseguido reprogramar células adultas dando lugar a las células madre pluripotentes inducidas (iPS de sus siglas en inglés).

 

Células iPS                                                                                                                                                   .

La hazaña pasaba por devolver cualquier célula diferenciada de un organismo adulto (neurona, cardiomiocito, espermatozoide…) a su estadio embrionario transformándola en una célula madre embrionaria. ¿Cómo lo consiguieron los tokiotas? Sobre-expresaron cuatro genes cuyo pico de actividad se alcanza durante los primeros días post-coito del embrión. De esta manera – inoculándolos en cultivo a células obtenidas de individuos adultos – conseguían un grupo de células madre con idénticos genes que su donador. Esta característica hace especialmente interesante este tipo de células que se enfocan a cumplir las más altas expectativas de la biomedicina. También daba un rodeo al debate ético que se generaba entorno a las células madre, puesto que la única fuente hasta el momento eran embriones fecundados.

Reprogramación in vitro.

Reprogramación in vitro.

El paradigma actual de la promesa de las células madre viraba hacia la clínica viento en popa y acelerando. La idea principal es la siguiente:

1)      Se obtienen células de la piel un paciente con un grupo celular dañado. Generalmente fibroblastos debido a su accesibilidad y obtención mínimamente invasiva.

2)      Una vez en cultivo de laboratorio se le añaden los 4 genes necesarios para reprogramar.

3)      Una vez ya indiferenciadas – reprogramadas- podemos dirigir su especialización a la estirpe celular dañada del paciente en cuestión.

4)      Cultivamos estas células ya diferenciadas hasta que se realice el trasplante.

Actualmente el paso crítico es la transición de 2) a 3) ya que no se conocen los protocolos para diferenciar una iPS u otra célula madre a cualquiera de los casi 200 tipos celulares que conforman el organismo adulto.

 

Reprogramación in vivo                                                                                                                              .

El año pasado un grupo español del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO) consiguió reproducir el fenómeno descrito en ratones. Esta técnica es pionera en el mundo y toda una revelación entre los últimos experimentos acontecidos con iPS.

En la investigación liderada por el Dr. Manuel Serrano diseñaron un constructo génico en roedores que permite activar selectivamente los 4 genes empleados por Yamanaka con el fin de inducir la pluripotencia en determinadas células cuando el animal es sometido a otro factor activador.

 

Ratón Mus Musculus.

Ratón Mus Musculus.

Los resultados son toda una sorpresa. Una vez inducida la diferenciación se ha comprobado la formación de cuerpos embrioides. Esto es una agrupación de agregados celulares con la misma potencialidad que un embrión de 72 horas. Sorprendente porque los encontramos en un estado de indiferenciación totipotente.

Una célula iPS de laboratorio es pluripotente ya que puede formar cualquier linaje humano pero las reprogramadas in vivo son incluso más lábiles. Establecen cualquier tipo celular no sólo embrionario sino también extraembrionario como son células de bolsa amniótica o corion.

 

Reprogramación in vivo.

Reprogramación in vivo.

Tareas pendientes                                                                                                                                        .

La promesa de las células madre no se ha cumplido del todo y este descubrimiento – aunque aún lejos – nos acerca a pensar que la diferenciación puede agilizarse mucho en el tema clínico. Si finalmente cuaja esta rúbrica, la terapia celular del futuro se ahorrará tiempo, instalaciones y pasos manipulativos de más en estos tratamientos.

La técnica – eso sí- va en camino de ser perfeccionada. Tan solo estamos ante un experimento primigenio del potencial de las iPS in vivo. La investigación ahora se dirige a conseguir esta reprogramación en una localización específica de órgano y tejido – o de tipo celular – en el tiempo.

Siguen pendiente muchas otras cuestiones, pero cada descubrimiento nos catapulta unos pasos más adelante como si camináramos a hombros de gigantes.

 

El CNIO publicó este vídeo animado traducido al español para que se pueda entender mejor el descubrimiento:

https://www.youtube.com/watch?v=N9R9DAGNEnw

Más información:

Artículo original: Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features. Abad, M et al. Nature 502, 340–345 (October 2013) doi:10.1038/nature12586

 

Comunicado oficial del CNIO: https://www.cnio.es/es/news/docs/manuel-serrano-nature-11sep13-es.pdf

Publicado originalmente aquí.

 

Ébola vs Malaria: La infografía

Aquí traemos la primera infografía del 2015. Un nuevo formato que – a la vista está – aún tenemos que mejorar pero nos parece una manera ilustrativa de representar el contenido de algunos post.

La infografía de hoy está relacionado con el post de ébola vs malaria que publicamos en verano de 2014 (podéis ampliar la imagen clicando sobre ella o descargarla en PDF en enlace de abajo).

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Podéis descargar la infografía en PDF desde AQUÍ.

Riesgo en el Laboratorio

En un principio la ciencia – mas concretamente la investigación – no parece ser una profesión de riesgo. Asumimos que existen muchos oficios donde el trabajador queda expuesto a un peligro como los de conductor, electricista o albañil. Evidentemente, que un carpintero pueda sufrir daños laborales no implica una alta probabilidad de acontecer un daño inminente y potencialmente grave para la salud. En esta tesitura sindical tenemos los gremios mineros o alpinistas, donde desgraciadamente la inseguridad es un factor clave.

Yo me atrevería a añadir que profesionales de sectores concretos de la investigación se exhiben a amenazas laborales que comprometen su integridad física tanto como un escalador. Aunque si bien es cierto – y los datos lo refutan – que la seguridad se plantea de tal manera que la cobertura es máxima para los trabajadores, el peligro siempre acecha.

Antes de nada cabe añadir que nos alejaremos de aquellos lances que podemos considerar accidentes laborales comunes – desde cortes y golpes hasta incendios – puesto que éstos acontecen a cualquier tipo de empleo sin distinción especial en ciencia. Dicho esto, nos disponemos a analizar los máximos peligros que se presentan en áreas muy dispares y sobre los que la seguridad centra su foco principal de atención:

  • Laboratorio de microbiología o cultivos celulares. Las instalaciones se clasifican en cuatro estadios (laboratorios tipo I a IV) según el grado de patogenicidad de las células que son autorizadas. Por ejemplo, en un emplazamiento de tipo II se permite trabajar con linajes celulares humanos, vegetales y patógenos que no presentan ningún peligro. Así encontramos células de riñón, esqueje o E. Coli. Sin embargo en laboratorios tipo IV se puede investigar con Ébola, Marburg y otros virus hemorrágicos.

 

Laboratorio tipo IV.

Laboratorio tipo IV.

 

Se conocen casos aislados de infecciones leves con E.Coli o virus de la gripe por problemas en su manipulación. Es fácil pincharse o verter contenido bio-peligroso. Más allá de estas eventualidades, radicalizando a su máximo exponente esta ejemplificación vamos a irnos hasta Rusia. El país más grande del mundo guarda uno de los dos últimos reservorios de Viruela – junto a Estados Unidos – que se conservan de forma oficial alrededor del globo. Bajo muchísimos pretextos diferentes, las peticiones de destrucción de la cepa han sido denegadas consecutivamente. Hace unos años un percance técnico liberó al virus en un recinto del laboratorio que lo contenía, infectando a 77 trabajadores que acabaron por fallecer.

  • Trabajo con Animales de Laboratorio: Ya menos probable que en el caso anterior. Las normas para trabajar con animales de laboratorio exigen una formación e indumentaria altamente segura. Pero como ya vimos en la entrada de animales de laboratorio ¿qué es lo realmente peligroso de trabajar con ellos? A simple vista apreciamos que un ratón, gusano o perro no son bestias agresivas entre especies. La espuela de su cría y manipulación yace en la zoonosis. Este fenómeno consiste en la transmisión de virus animales fácilmente transmisibles entre ellos pero que pueden saltar de especie. ¿Y cómo? A través de aerosoles, contacto accidental con fluidos o transmisión sanguínea …
Esquema de transmisión de virus entre operario y animal.

Esquema de transmisión de virus entre operario y animal.

Las mordeduras de roedores son especialmente peligrosas debido a este último punto.

  • Laboratorio de Química: La prevención de riesgo laboral cobra especialmente sentido en un campo tan amplio. Cabe tener en cuenta que algunas propiedades de muchos compuestos son especialmente nocivas para los operarios:

a)      Volátiles: Sustancias que se evaporan con suma facilidad. Es el caso del cianuro.

b)      Explosivos: Como la nitroglicerina,  el principio activo de varios fármacos.

c)       Carcinogénicos: Como el bromuro de etidio, suelen ser moléculas que atraviesan o intercalan en la doble hélice de ADN.

d)      Inflamables: La legislación acepta almacenar hasta 100 litros, como son el butadieno o propileno.

e)      Radiactivos: Que le pregunten a los señores Curie en la Francia de principios de siglo pasado. Polonio, Radio o Tecnecio – usado en gammagrafías  – son ejemplos.

Símbolos que indican la peligrosidad de los compuestos.

Símbolos que indican la peligrosidad de los compuestos.

  • Laboratorio de Física: Hemos reservado hasta el final el lugar más inhóspito para dejarse caer entre el azar de las desdichas laborales. Alguno pensará que entre integrales, transformadas y cocientes es difícil salir escaldado pero ahora veremos que no  tiene porque ser exactamente así.

Para ello vamos a hablar del inimaginable caso de Anatoli Burgoski. El científico, que realizó su tesis doctoral en física de partículas, trabaja en el mayor acelerador del país. Un día de reparaciones, cuando la fuente del acelerador debiera estar apagado, el pobre de Anatoli se encontraba con medio cuerpo dentro de la instalación sustituyendo piezas cuando fue impactado por un haz de protones que le atravesó el cráneo casi a la velocidad de la luz.

Por suerte, el señor Burgoski sobrevivió – y aún vive, que nació en el 42 -. Relató décadas después – tras el hermetismo soviético – que no sintió dolor durante el impacto pero que el destello era de una intensidad  “como la de mil soles”.  Anatoli consiguió finalizar su tesis doctoral y alcanzar el puesto de Director de Experimentos de su departamento, de lo que se deduce que el accidente no afectó a sus capacidades de raciocinio.

Trayectoria de impacto del haz en Anatoli.

Trayectoria de impacto del haz en Anatoli.

Los efectos inmediatos de la colisión resultaron en quemaduras de tejido cerebral y piel en zonas atravesadas por el haz. Perdió la audición del oído izquierdo y sufrió persistentes ataques epilépticos. En el fondo no es nada para lo que cabría esperar del infortunio. Se creía que nadie sobrevivía a choques con haces de una potencia 200 veces inferior a la que le impactó.

Con esta entrada he tratado de recoger los casos más paradigmáticos de los riesgos que conlleva ser técnico de cada laboratorio, que para nada son una muestra representativa pero permiten que nos hagamos una idea de que la ciencia no es una profesión tan liviana.

 

Extrae tu propio ADN en casa: Taller de actividades

Arrancamos el nuevo año con un Taller de Actividades, que teníamos esta sección algo olvidada. Hoy vemos como podemos extraer ADN, la molécula que contiene nuestros genes, de nuestras propias células y verlo a simple vista.

 

Materiales

  • 3 vasos de cristal.
  • Agua (del grifo ya nos sirve).
  • Sal de cocina.
  • Alcohol 96º (de desinfectar).
  • Detergente (de lavar los platos).

*Nota: Las cantidades indicadas son orientativas. Hay un amplio margen que puede afectar – aunque no de manera significativa – los resultados del experimento.

Procedimiento

  • Preparamos en un primer vaso A una solución saturada de sal. Esto significa que obtendremos una solución muy concentrada pero que el soluto no precipitará. Lo conseguimos llenando un vaso de agua y añadiendo tres cucharadas de sal. Removemos durante un minuto hasta disolver la sal por completo. (Atención: Si aún después de remover sigue sin disolverse toda la sal, repetir añadiendo menos cantidad de sal –soluto- o más cantidad de agua – disolvente- ).

 

  • Preparamos un segundo vaso B que llenaremos de agua hasta los 2/3 de volumen. Algo menos del tercio restante lo rellenamos con detergente de lavavajillas y agitamos manualmente el vaso hasta mezclar ambas fases. Observamos una emulsión del color del detergente algo viscosa.

 

  • En un tercer vaso, donde vertimos agua hasta la mitad, nos enjuagaremos la boca durante un minuto. Recomendamos tragar saliva antes del enjuague.
Los tres vasos iniciales y su contenido.

Los tres vasos iniciales y su contenido.

  • Al vaso donde nos hemos aclarado – contiene agua y células de nuestra boca – añadiremos dos cucharadas del vaso A (agua y sal). Menear medio minuto.

 

  • A continuación, adicionamos otra cucharada del vaso B (agua y detergente) y nuevamente agitamos con determinación.
Mezcla de los tres vasos inciales.

Mezcla de los tres vasos inciales.

  • Ahora dejamos el vaso con las mezclas encima de la mesa y no lo volveremos a mover lo más mínimo. Agregamos un par de cucharadas de alcohol desinfectante y se formarán dos fases casi instantáneamente. La saliva precipitará al fondo como una fase turbia mientras que arriba quedará la fase trasparente con alcohol.
Resultado final.

Resultado final.

Ahora puedes observar unos filamentos o hilos similares a los que mostramos a continuación.  Estos grandes filamentos se encuentran formados por miles de hebras paralelas de la doble hélice de Watson y Crick que constituyen cada uno de los genes que heredamos de nuestros progenitores.

Explicación

  • Con el enjuague conseguimos que se desprendan las células que recubren los tejidos de la lengua, encías y mucosas bucales. Recomendamos tragar saliva porque ésta contiene proteínas que se encargan de trocear el ADN y nos interesa conseguir grandes fragmentos de la hélice para poder verlo con mejor resolución.
  • La sal ha conseguido deshidratar la célula por el principio de ósmosis y el detergente es un agente destructor de membranas lo que ayuda a liberar el ADN del núcleo.
  • Por último el alcohol ha conseguido desplazar todas las partes de la célula hacia la fase acuosa del fondo y mantener los filamentos en la fase superior.

Este es el resultado que se espera obtener.

Os animamos a todos los que habéis llegado hasta aquí a que realicéis el experimento en vuestras casas. Podéis comentarnos como os ha ido – así como si tenéis dudas – vía redes sociales (twitter y facebook). Además también estaremos encantados de recibir vuestras fotos y comentarios en nuestro correo electrónico (albaciencia@gmail.com).

Animales de experimentación: no sólo conejillos de indias.

A todos nos viene una idea común a la cabeza cuando oímos la palabra conejillo de indias. Es la del pobre roedor blanco y diminuto que se compunge cuando el guante del experimentador lo envuelve para aplicarle un tratamiento o realizarle una prueba. Actualmente existe un gran debate animalista sobre para que uso podemos utilizar los animales. Aunque la polémica se extiende sobre todo entorno a la disposición recreativa de animales, la verdad es que en investigación nos hemos tratado de curar de espanto. Cada estabulario – instalación veterinaria de cuidado y apoyo a los Animales de Experimentación – opera en un régimen interno que se encuentra legislado por la Ley de Protección de Animales de cada país.

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Dejando a un lado controversias sociales volvemos al primer punto. Abunda el tópico que solo se utilizan ratones en laboratorio y es para administrarle fármacos que de otro modo – ensayados directamente en humanos – provocarían efectos secundarios sobrecogedores. Bien pues vamos a ver los diferentes usos que se le dan a estas bestias en investigación:

  • Ensayos clínicos y toxicológicos: Probablemente el más conocido. Antes de pasar a la famosa FASE I de ensayo de fármacos se necesita demostrar que éstos no son altamente tóxicos en una administración primaria. Además también sirve para conocer una dosis orientativa que se extrapolará a humanos – algo que llamamos como ventana terapéutica – pero que se acabará de ajustar en fases posteriores.
  • Cosmética: Su uso no es ciertamente estético. No se prueban el resultado final del cosmético orientado al resultado artístico sino que se evalúan cuatro parámetros diferentes: irritación en la piel y/o ojos, fotosensibilidad – exposición a rayos UV -, mutagenicidad y toxicidad.
  • Experimentos sociales: Lejos del imaginario gato de Schrödinger, el perro de Pavlov se lleva todo el protagonismo en este tipo de ensayos. El fisiólogo ruso demostró el conductivismo probando el circuito estímulo – respuesto en perros. El experimento en cuestión consistió en mostrar comida a animales que no podían obtenerla de manera que salivaban como respuesta de sus glándulas al estímulo visual. Como curiosidad, se hacen tests para diagnosticar a roedores de Alzheimer que no logran repetir ciertos recorridos en laberintos.

Como se puede vislumbrar de los eventos anteriores, no se emplean únicamente ratas ni ratones en las pruebas de experimentación. Vamos a hacer un repaso por los organismos modelos más representativos de la ciencia.

  • Gusano C. elegans: Estos nematodos microscópicos de algo menos de mil células colonizaron los laboratorios en los años setenta del siglo pasado. Desde entonces se han vuelto indispensables en estudios de genética del desarrollo embrionario. En el descubrimiento de mecanismos moleculares como la apoptosis – muerte celular programada – o  envejecimiento. También han hecho sus pinitos en enfermedades tales como Alzheimer y diabetes. Pero sobretodo, si por algo se ha hecho famoso este invertebrado es por la elaboración de mapas de destino. Se conoce el destino que cada célula del embrión acontecerá en el organismo adulto.

 

Mapa de destino en C. elegans.

Mapa de destino en C. elegans.

 

  • Las moscas Drosophila: Otra criatura de la genética. Compartimos el 75% de genes relacionados con enfermedades y más de la mitad de secuencias de proteínas. La mosca del vinagre también ha ayudado a desentrañar el juego de moléculas que intervienen en la formación de los ejes corporales del embrión.

 

Microscopía confocal de fluorescencia de mosca de la fruta.

Microscopía confocal de fluorescencia de mosca de la fruta.

  • El pez cebra: Si os ha sorprendido lo que nos parecemos genéticamente a la mosca de la fruta, que decir de este pez. El 80% de nuestro genoma tiene su versión homóloga en él y esto lo convierte en el coche cero del rally farmacológico por llevar un producto al mercado. Todos los efectos probados en este animal han sido extrapolados y más tarde confirmados en humanos con una fiabilidad altísima. Por si fuera poco, sus embriones son de escamas trasparentes así que muchos resultados son evaluables a simple vista.

 

Embriones de pez cebra.

Embriones de pez cebra.

 

Damos un salto cualitativo importante en los laboratorios de experimentación animal. Muchas veces no es suficiente la información que podemos obtener de los animales anteriores por lo que tenemos que saltar de rama en rama por el árbol de la evolución hasta llegar a los mamíferos. A día de hoy, disponemos de:

  • Roedores: Hámster, cobaya, chinchilla, rata y ratón… Casi todos los roedores han pasado en algún experimento por el laboratorio. Una fisiología similar a la nuestra, que son fáciles de criar en cautividad y una progenie normalmente numerosa son los puntos fuertes para experimentar con estos animales.
  • Perros: Sobretodo para estudios avanzados. Cuando un fármaco es susceptible de producir efectos secundarios pero queremos medir como y cuanto afectan a un cuerpo no podemos basarnos en roedores que pueden pesar 30 o 50 gramos. Aunque algunas razas están lejos de los 70 kilos que se asume para una persona estándar, la relación dosis – peso es más similar a la que nosotros podemos experimentar. Por el momento se ensayan perros en muchas enfermedades: hormonales, cardiovasculares y mentales entre otras.
  • Primates: La señora de los simios, Jane Goodall, los catapultó al escenario mediático. Los primates centran el foco de las investigaciones sociales en multitud de proyectos. Su papel en experimentos de farmacia es poco relevante y se reserva solo a un grupo reducido de simios, como bonobos u orangutanes. En chimpancés está totalmente prohibido hacer pruebas.
Jane Goodall con tres de sus chimpancés.

Jane Goodall con tres de sus chimpancés.

Pero… ¿qué pasa con el cerdo, pollo, pulpo y calamares? En esta entrada hemos hablado de los animales más comunes en experimentación pero para nada son los únicos. La elección del sujeto de estudio viene siempre dada por el objetivo que se persigue. Esperamos que hayan quedado ilustrados los motivos por los que se utilizan unas especies u otras y su contribución al conocimiento científico.

Genes y cáncer: El papel de BRCA1 – BRCA2

Comúnmente se asocia el nombre de ciertos genes y al de cáncer u otras disfunciones. Este es un ejemplo de la falsa relación de conceptos científicos que distorsiona la realidad. Antes de entrar en materia vamos a aclarar este punto.

Todos los individuos de una especie comparten los mismos genes (esta regla se cumple al menos en mamíferos). Especificamos: los genes que compartimos para funciones esenciales de supervivencia son idénticos. Asumimos diferencias raciales en el genoma humano pero solo hacen referencia a rasgos físicos y no dependen de los genes. A modo de ilustración, el gen de la insulina – proteína implicada en el metabolismo de los azúcares – es idéntico entre todos los humanos porque la función que debe desempeñar es igualmente la misma. Sin embargo, individuos que poseen un gen de la insulina diferente producirán una versión de la proteína que no es la original y por la tanto no realizará su función correctamente – o no la hará – y lo llamamos mutación.

Ya establecido este concepto vamos a hablar del papel que desarrollan los genes BRCA1 y BRCA2. Esta familia de BRCA codifica por las proteínas de igual nombre y que se encargan de reparar el ADN. La dotación celular de nuestro organismo no es estática. Nacemos con un número de células que deberá ampliarse durante las etapas de crecimiento y a la postre mantenerse a lo largo de la vida. Cada vez que la célula se divide da lugar a otras dos genéticamente idénticas a la madre y entre ellas, por lo que es tarea imprescindible duplicar el ADN. La replicación del ADN es un método mediante el cual una célula multiplica por dos sus genes para originar una descendencia de dos células homólogas.

División celular con progenie idéntica.

División celular con progenie idéntica.

Como toda máquina, la célula no es perfecta y comete errores. Estos fallos si no comprometen la viabilidad celular se mantienen mientras que si tienden a ser fatales o críticos la célula morirá – y no podrá transmitir estos errores a la descendencia -. Volviendo a los primeros, éstos pueden acumularse e ir a peor generación tras generación. Así pues, nuestras células tienen proteínas para reparar estos pequeños defectos en los genes que se han producido cuando la célula madre los replicó y evita acumular errores tras sucesivas divisiones.

Bien, resulta que BRCA1 y BRCA2 son dos proteínas de este tipo. Ciertos individuos tienen alguno o ambos genes mutados y como consecuencia no pueden reparar todos los errores que son fruto de la replicación del ADN. Estos fallos que pasan el filtro natural de BRCA1 y BRCA2 – que en personas no mutadas se perderían – acaban fijándose en la célula hija. Cuando ésta se divida acumulará el error que heredó de su progenitora pero además generará nuevos defectos causa de un funcionamiento anómalo de BRCA.

Algunos errores afectarán a algunos componentes imprescindibles para que la célula pueda sobrevivir pero otros serán más desfavorables aún. El ritmo metabólico de la célula oscila según su ciclo. Este circuito está controlado al máximo con multitud de interruptores y filtros que deciden si la célula se halla en condiciones óptimas para superar cada fase.

Estos interruptores de los que hablamos son enzimas o proteínas codificadas por genes que pueden dañarse en la consecución del ciclo y por ello deben repararse por proteínas como las BRCA. En personas con estas proteínas mutadas, tras sucesivas replicaciones han acumulado errores en las enzimas controladoras del ciclo. Este mal funcionamiento lleva a que la célula pierda el sentido del ciclo y empiece a proliferar descontroladamente, sobre incremento que llamamos cáncer.

Proliferación celular cancerosa. Fuente: ADAM

Proliferación celular cancerosa. Fuente: ADAM

Las proteínas BRCA se expresan en muchos tejidos del cuerpo pero su rol preponderante se encuentra en las células de mama. Por este mismo motivo, mutaciones en BRCA1 o BRCA2 son las responsables de múltiples tipos de cáncer como lo son el de mama, ovario, trompas de Falopio o próstata.

Aunque por ahora solo se conoce la causa de estas enfermedades, la secuenciación del genoma ayuda a conocer las mutaciones así como la predisposición a padecer estos tipos de cáncer. A pesar de que esto siga sin ser un remedio cien por cien efectivo para combatir la enfermedad, monitorizarla desde estadios tempranos – cuando son más fáciles de atacar con quimio y radioterapia – ha supuesto un gran paso en la lucha contra el cáncer.

Kit de diagnóstico de mutaciones en los genes BRCA.

Kit de diagnóstico de mutaciones en los genes BRCA.

Viagra: Un descubrimiento accidental

Estamos acostumbrados a relatos como el que cuenta que el doctor Fleming  descubrió el hongo de la penicilina. Son hechos llamativos que a menudo utilizamos para reivindicar la casualidad y el papel trascendental que juega en la Historia.

Otro caso no tan conocido es el del citrato de sildenafilo o más conocido por sus nombres comerciales Viagra/Revatio. Este fármaco famosísimo en el tratamiento de la disfunción eréctil tenía otro destino en los estantes de las farmacias hasta que Pfizer, compañía que lo desarrolló, encontró un efecto secundario más provechoso.

Viagra es distribuida en forma de pastillas.

Viagra es distribuida en forma de pastillas.

Tenemos que remontarnos a principios de los años ochenta del siglo pasado, cuando esta empresa farmacéutica investigaba como tratar la angina de pecho. La enfermedad en cuestión está causada por un aporte insuficiente de sangre – y por lo tanto oxígeno – al corazón, produciendo un característico dolor opresivo en la zona del esternón.  La angina de pecho tiene una clave patológica en común con la hipertensión arterial, producida por el aumento de la presión en las arterias para contrarrestar la falta de aporte sanguíneo.

Anatomía del sistema cardiovascular.

Anatomía del sistema cardiovascular.

Así que Pfizer buscaba encarecidamente un fármaco que actuará en un nivel que permitiera combatir ambas complicaciones cardiovasculares. La diana para matar estos dos pájaros de un tiro es la enzima fosfodiesterasa 5 (PDE5). Esta proteína hace uso de un átomo de Zinc y otro de Magnesio o Manganeso para modificar una molécula en la cascada de señalización de la contracción muscular del corazón y la aorta. Inhibiéndola supuestamente con Viagra, el exceso de contracciones se vería notablemente reducido devolviendo al paciente a una situación fisiológica (de normalidad).

El medicamento, una vez producido y habiendo superado todos los controles de seguridad, fue ensayado en el Hospital de Swansea (Gales). El entonces denominado compuesto UK-92480 no reportó los datos de mejora en pacientes que esperaban que arrojara tras el ensayo. Pero no todo fue malo, los voluntarios que se trataron con él avisaron de un curioso efecto secundario: multitud de erecciones. Otras lenguas dicen que los pacientes se negaban a abandonar el ensayo incluso tras demostrarse que no habían experimentado mejoría alguna, pero como todos los rumores no hay fuente documentada que aclare lo que pasó.

La cosa no era tan sencilla como descubrir una panacea sexual para lanzarla al mercado como un fármaco mesiánico que prometía horas y horas de placer. Si bien es cierto que la posibilidad de reinventarse como un tratamiento para la disfunción estaba sobre la mesa aún habría que descubrir su modus operandi.

El científico Chris Waymann se esforzó en diseñar un sistema eréctil motor en laboratorio. Tomó una muestra de tejido de pene que donó un paciente con disfunción y la conectó a un sensor que se encendería si recibía un estímulo eléctrico. El tejido a su vez se hallaba irrigado por una solución líquida cuyo contenido era conocido y se podía manipular con facilidad. Ya podemos ver que en realidad se está mimetizando el comportamiento del órgano in vivo: un miembro viril del que una vez excitado se puede medir el impulso nervioso – aquí representado por el señal eléctrico-. (Podéis ver en este vídeo como Wayman explica su modelo).

Capturas del modelo eréctil de Wayman.

Capturas del modelo eréctil de Wayman.

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Sensor que detectaría la excitación.

El hecho de que una solución inunde el tejido es útil para simular la irrigación sanguínea. En esta infusión añadieron el fármaco y efectivamente comprobaron que el efecto secundario no era un bulo. Se detectó señal por lo tanto el tejido patológico había conseguido recibir impulso nervioso. Hay que destacar que los voluntarios del Hospital de Swansea que recibieron Viagra por primera vez no padecían de disfunción sexual. Así pues era importante que se comprobara su acción en pacientes puesto que de lo contrario no hubiera surtido el efecto que cosecha.

En 2013 Viagra cumplió 15 años y aunque su patente haya expirado no se puede decir que no haya cubierto en oro a sus descubridores. Después de batirse en duelo contra otras pastillas en más de 120 ensayos con 13.000 voluntarios, Viagra ha sido recetado a más de 230 millones de personas – esto es, la mitad de población de la Unión Europea aproximadamente -.

Como comentaba al principio, esta historia no es tan conocida como otras – véase la dificultad para dirigirse a las fuentes – pero no deja de asombrar lo curiosa que es la investigación y la industria farmacéutica. No podían ser menos y había que reservar unas líneas para los detractores que tratan de restar mérito a estos descubrimientos. Ciertamente el objetivo de la Viagra nunca fue el que al final consiguió pero un poco de casualidad no debe empañar el trabajo, esfuerzo y dedicación que este laboratorio había depositado. Para ellos – los detractores-  les regalo la última frase de esta entrada: la suerte también hay que buscarla.

El nacimiento de Dolly: así se clonó.

Dolly es con toda probabilidad la oveja más famosa del globo. Ostenta el título de ser el primer mamífero clonado a partir de una célula adulta. El ejemplar de oveja común, que nació en 1996, murió tan sólo seis años y medio más tarde, ya en el 2003. Su nacimiento cubrió de gloria científica a sus “creadores” – los escoceses Ian Wilmut y Keith Campbell – por dar el paso más importante del siglo XX en el campo de la biología celular.

Portada del Time con la noticia de Dolly

Portada del Time con la noticia de Dolly

De la reproducción sexual a la transferencia nuclear

Aunque ya existían desde hacía unas pocas décadas las técnicas de reproducción asistida (tales como Inseminación Artificial o Fecundación in vitro, entre otras) ahora la fecundación iba un paso más allá. Resulta que con un óvulo sano y una célula adulta se podría generar teóricamente nuevos embriones. No sólo eso, sino que además estos embriones eran clónicos respecto al donador de la célula adulta. La técnica de la transferencia nuclear se utilizó con éxito por primera vez en la creación de Dolly pero este método se ha ido actualizando y sigue vigente hoy en día como uso para nuevas aplicaciones.

A grosso modo podemos decir que la transferencia nuclear consiste en desproveer a un óvulo de su núcleo, el compartimento donde reside el material genético, para introducir otro núcleo (el del individuo que queremos clonar) con sus genes. Una vez se ha llevado a cabo, el óvulo activado se desarrolla cuál embrión de una célula (cigoto) y está listo para ser implantado en un útero receptor para su posterior gestación.

La idea parece sencilla pero hay diferentes individuos en juego y algunos pasos que hemos omitido para simplificarla. A continuación la dividimos en tres etapas para profundizar más en cada una de ellas y resolver el quién es quién anterior.

-          Enucleación del óvulo: Disponemos de un óvulo que viene de un donador. Este individuo puede ser el mismo que queremos clonar o no, hasta aquí es indiferente y sea quien sea lo único importante es que tengamos un óvulo.

A continuación procedemos a extraer el núcleo del óvulo y con ello borrar todos los genes del donante. Por este mismo motivo nos es indiferente la identidad del donador, una vez eliminado el núcleo decimos adiós a su identidad: ni rastro de él ni de sus genes. Por razones obvias, si queremos clonar un animal macho el óvulo tiene que venir de un individuo diferente que sea hembra.

¿Cómo se elimina un núcleo celular? Hay diferentes maneras pero la forma más usual consiste en introducir una especie de aguja – que se llama micro-pipeta-  en el óvulo, aspirar el conjunto de cromosomas que se encuentran condensados en el núcleo y retirar la aguja con cuidado. Todo esto se debe hacer inmovilizando la célula sobre un soporte que la aspira para mantenerla en posición fija.

RECORDAMOS que el núcleo de un óvulo contiene la mitad de cromosomas – es haploide -  que una célula adulta – diploide – puesto que precisa de la penetración del espermatozoide para completar el número de cromosomas de un individuo.

A la derecha tenemos la pipeta que aspira el óvulo para mantenerlo fijado y a la izquierda la que extraerá el núcleo. En rojo he marcado el núcleo del óvulo.

Derecha: Pipeta que fija el óvulo.Izquierda: Pipeta que extraerá el núcleo. En rojo el núcleo del óvulo.

-          Transferencia del núcleo: Aquí es cuando necesitamos el material celular del individuo a clonar.

Ahora ya tenemos la carcasa del futuro embrión, pero nos falta el motor, que será el nuevo núcleo. Para ello necesitamos obtenerlo de una célula cualquiera del organismos – se ha conseguido realizar este paso con todos los tipos celulares – pero con Dolly decidieron coger una muestra de glándula mamaria.

Tras romper la célula y hacer sucesivas filtraciones o limpiezas hasta purificar su núcleo, éste se inyecta dentro del óvulo por microinyección – de la misma manera que hemos visto como se extraía el núcleo del óvulo en la enucleación anterior – .

-          Activación: Ahora necesitamos que el conjunto óvulo- núcleo se comporte como un embrión y por tanto empiece a desarrollarse como tal. Podemos aplicar un pulso eléctrico o moléculas químicas que ayudan a “engañar” al óvulo para que “piense” que ha sido fecundado y dé lugar a las divisiones correspondientes.

Una vez el embrión ha desarrollado hasta el estadio de blastocito vamos a implantarlo en un útero sano. En el experimento de Dolly, hasta este paso se utilizaron 237 óvulos y de ellos sólo nació una oveja.

La oveja receptora que se encargará de gestar y parir el futuro feto puede ser la misma que done el óvulo de la enucleación y la misma que done el núcleo a clonar pero no es un requisito necesario.

Desarrollo del embrión clonado.

Desarrollo del embrión clonado.

 

La muerte de Dolly y el paradigma del envejecimiento prematuro

Se han detectado dos grandes alteraciones en los individuos clónicos que nacen por esta técnica:

Síndrome de LOS: No hay una explicación conocida para este efecto, conocido en bovinos y ovinos mayoritariamente. Los organismos recién nacidos presentan un tamaño y un peso significativamente superior a la media, motivo por el cual complica el parto.

Envejecimiento prematuro. Toda célula tiene una memoria sobre su edad y su envejecimiento. No olvidemos que el núcleo insertado en el óvulo es una célula adulta por lo que el futuro feto a nivel funcional sumará su edad biológica más la edad que tenía el donador del núcleo cuando la transferencia.

Posición de los telómeros en el cromosoma.

Posición de los telómeros en el cromosoma.

Es curioso el tema de Dolly porque hay disparidad de opiniones. Los veterinarios que la cuidaron aseguran que murió por problemas pulmonares adquiridos. Casualidad o no Dolly falleció a los seis años y medio, a los que habría que sumarle los seis a los que se clonó la célula de su madre. Ésto hace un total de 12 años, la esperanza media de vida de la oveja.

(Si queréis saber más sobre la actividad telomerasa y su relación con el envejecimiento prematuro podéis leer la primera entrada que publicamos en AlbaCiencia).

 

 

Hoy en día la transferencia nuclear se prueba para obtener células madre. También se usó para dar a luz  a Polly: la primera oveja clónica y transgénica a la par. Existen muchos experimentos interesantes que se reproducen mediante esta técnica… Pero esa es otra historia debe ser contada en otra ocasión.