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L'inadeguatezza dei modelli animali //

Siamo oggi di fronte all'evidenza che la ricerca basata su modelli animali non costituisce un problema soltanto etico ma anche, e soprattutto, scientifico e metodologico. Sempre più studi pubblicati su riviste scientifiche internazionali mettono infatti in discussione l’affidabilità e la rilevanza dei modelli animali quali modelli per studiare le malattie umane e la risposta ai farmaci o agli agenti tossici (1-7). Un numero crescente di scienziati, consapevole dei pericoli derivanti dal sovra-affidamento ai modelli animali, sta lavorando per il superamento della sperimentazione animale e lo sviluppo / applicazione dei metodi human-based (8-18), spingendo verso un vero e proprio cambio di paradigma nella ricerca biomedica.

Secondo il National Insitute of Health statunitense, le percentuali di fallimento dei potenziali farmaci che, passate le fasi precliniche (in vitro ed in vivo, su animali), non riescono a superare le fasi cliniche (su volontari umani) si attestano intorno al 95% (19). Percentuali ancora più alte di insuccesso si riscontrano in ambito oncologico (95-100%) (20-22) e nelle malattie neurodegenerative come Parkinson, Alzheimer, ecc. (99,6%) (23). Anche per altre malattie purtroppo la situazione non è migliore e la maggior parte dei farmaci che funzionano bene negli animali non sono utili a curare i pazienti (24-30, 38).

Le cause di fallimento sono l'inefficacia o le reazioni avverse, purtroppo a volte anche gravi e con conseguenze drammatiche (31, 32).

Tali fallimenti sono stati attribuiti in buona parte all’inadeguatezza dei modelli animali (33, 34). Gli animali spesso non sono infatti in grado di ricapitolare fedelmente le condizioni fisiologiche e le malattie umane, a cause delle differenze biologiche osservabili tra specie diverse. Inoltre le condizioni estremamente innaturali a cui sono costretti gli animali in laboratorio, lo stress causato dalle pratiche di routine e le modalità artificiali con cui vengono indotte le malattie, aggiungono ulteriore variabilità ai risultati degli esperimenti, creando anche problemi di riproducibilità, ovvero problemi ad ottenere i medesimi risultati nelle medesime condizioni.

E'possibile superare il problema della validità esterna* nella ricerca pre-clinica su animali?

Perché la maggior parte dei modelli animali è destinata a fallire.

"Mentre alcuni problemi di validità esterna* possono essere superati migliorando i modelli animali, il problema delle differenze tra specie non potrà mai essere superato e minerà sempre la validità esterna e la traduzione affidabile dei risultati dall'animale all'uomo".

*La validità esterna è il grado di "generalizzabilità" delle conclusioni tratte da uno studio. Misura in questo caso il grado di verità dell'assunto che quanto studiato sugli animali può essere trasferito all'uomo.

Le basi scientifiche dell’inadeguatezza dei modelli animali

Il ragionamento scientifico alla base della sperimentazione animale è che un animale sia una buona rappresentazione e quindi un modello di un essere umano, e che sta agli scienziati interpretare nella giusta maniera quello che osservano in laboratorio e traslarlo nel contesto umano - accettando i limiti e i rischi del modello. Spesso la similitudine viene giustificata dalla condivisione di sequenze di DNA, per esempio dal fatto che l’uomo condivide con il topo oltre il 90% del DNA.

Questo approccio sarebbe potuto andare bene 50 anni fa, quando non avevamo né le conoscenze nel campo della biologia né le tecnologie che abbiamo oggi. A partire dagli anni 2000 grazie al sequenziamento del genoma umano ed alla luce delle nuove conoscenze sull’epigenetica e sui meccanismi di regolazione dell’espressione genica, siamo entrati in quella che viene spesso definita era “post-genomica”, segnata dal crollo di vecchie concezioni e dello stesso dogma della biologia molecolare.

Oggi sappiamo che conoscere la sequenza del DNA, dei geni, non è nemmeno lontanamente sufficiente a farci capire il funzionamento e le risposte di un organismo. Ciò che conta non è tanto il numero di geni in comune ma le modalità con cui tali geni vengono spenti o accesi, in una logica di insieme (reti di geni), con meccanismi che sono definiti “epigenetici” perché non riguardano la sequenza dei geni ma il modo in cui l’informazione contenuta nel DNA viene letta o interpretata. Le stesse informazioni in organismi diversi possono essere utilizzate con risultati differenti. Recenti studi hanno svelato notevoli differenze tra gli animali e l’uomo nella regolazione e nell’espressione genica, che si traducono anche in una differenza nelle risposte biologiche. Piccole differenze nella regolazione dei geni possono portare a grandi differenze nel fenotipo* e nelle risposte ad agenti patogeni, farmaci, ecc. (1, 35-37). Alla luce di quanto affermato sopra dovrebbe essere chiaro che la condivisione delle sequenze del DNA non è condizione sufficiente di fare di una specie un buon modello per un’altra.

Un altro concetto spesso tirato in ballo per giustificare la sperimentazione animale è la complessità: l’animale sarebbe l’unico modello in grado di rappresentare l’organismo umano nella sua interezza.

Ma analizzando le modalità con cui un modello animale viene creato ed utilizzato, si può facilmente comprendere la debolezza di una simile affermazione.

In termini molto semplici, si prende un animale perfettamente sano, lo si fa ammalare artificialmente, e su questo modello si studiano le malattie dell’uomo (che non di fatto non esistono in natura nell’animale) e si testano i potenziali farmaci.

Se si analizzano i “modelli animali” in cui vengono indotte malattie tipicamente umane, si scopre però che un unico modello è ben lontano dal ricapitolare la corrispondente patologia umana: se siamo fortunati riproduce parzialmente ed in maniera grossolana alcuni aspetti, segni o sintomi della malattia, (per quanto si sia in grado di identificarli ed interpretarli!). Perciò di solito esistono più modelli differenti per una stessa patologia, ognuno che cerca di riprodurne un aspetto differente. Il risultato è che in quel determinato modello animale non si sta studiando la malattia umana ma alcuni aspetti di quella che per segni e sintomi “assomiglia” alla malattia umana.

Già il fatto che la patologia venga indotta in modo del tutto artificiale e che si sviluppi in modo differente da quella umana dovrebbe far riflettere. Se poi si aggiunge il fatto che il sistema immunitario, la risposta all’infiammazione, l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo, l’escrezione e la tossicologia dei farmaci potrebbero essere, e di solito lo sono, differenti tra le varie specie, cosa resta di quella “complessità” che si vorrebbe studiare? In realtà la complessità, che dovrebbe essere il punto forte del modello animale, rappresenta anche il suo punto debole, in quanto è una complessità diversa da quella dell’organismo umano, una sorta di “scatola nera”, che ci da’ sì delle informazioni complesse, ma non necessariamente rilevanti e valide per l’uomo.

Se poi si aggiunge anche il fatto che la maggior parte delle malattie umane ha una patogenesi complessa che risulta dall’interazione dei geni con i fattori ambientali, come possiamo pensare che degli animali che vivono in laboratorio, in condizioni completamente differenti da quelle umane, al di fuori del proprio ambiente naturale e costretti ad abitudini lontane da quelle tipiche della specie (pensiamo solo al fatto che i roditori sono animali notturni e sono costretti ad una vita diurna…), possano essere dei buoni modelli?

 

In conclusione, l’utilizzo degli animali come modelli per l’uomo è il retaggio di un pensiero riduzionista, che non è più al passo con i tempi ed è in contrasto con la biologia dei sistemi, i principi della medicina personalizzata, ed i paradigmi emergenti della ricerca del XXI secolo.

*si intende l'insieme di tutte le caratteristiche manifestate da un organismo vivente, quindi la sua morfologia, il suo sviluppo, le sue proprietà biochimiche e fisiologiche comprensive del comportamento. Tutto ciò che è manifesto e possiamo osservare.

Riferimenti bibliografici

 

1.           Seok J, Warren HS, Cuenca AG, Mindrinos MN, Baker HV, Xu W, et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2013;110(9):3507-12.

2.           Cavanaugh SE, Pippin JJ, Barnard ND. Animal models of Alzheimer disease: historical pitfalls and a path forward. Altex. 2014;31(3):279-302.

3.           Pound P, Ritskes-Hoitinga M. Is it possible to overcome issues of external validity in preclinical animal research? Why most animal models are bound to fail. Journal of translational medicine. 2018;16(1):304.

4.           Pound P, Ebrahim S, Sandercock P, Bracken MB, Roberts I. Where is the evidence that animal research benefits humans? BMJ (Clinical research ed). 2004;328(7438):514-7.

5.           Bailey J, Thew M, Balls M. Predicting human drug toxicity and safety via animal tests: can any one species predict drug toxicity in any other, and do monkeys help? Alternatives to laboratory animals : ATLA. 2015;43(6):393-403.

6.           Greek R, Pippus A, Hansen LA. The Nuremberg Code subverts human health and safety by requiring animal modeling. BMC medical ethics. 2012;13:16.

7.           Abbott A. Animal testing: more than a cosmetic change. Nature. 2005;438(7065):144-6.

8.           Langley GR, Adcock IM, Busquet F, Crofton KM, Csernok E, Giese C, et al. Towards a 21st-century roadmap for biomedical research and drug discovery: consensus report and recommendations. Drug Discov Today. 2017;22(2):327-39.

9.           HumanToxicologyProject. Limitations of the Current Testing Approach  [Available from: https://humantoxicologyproject.org/tox-101/limitations-of-the-current-testing-approach/.

10.        HumamToxomeProject.  [Available from: http://human-toxome.com/.

11.        Triunfol M, Rehen S, Simian M, Seidle T. Human-specific approaches to brain research for the 21st century: a South American perspective. Drug Discovery Today. 2018;23(12):1929-35.

12.        Biomed21. Biomed21 Collaboration: Toward a human-focused paradigm in health research  [Available from: https://biomed21.org

13.        Jiang J, Pieterman CD, Ertaylan G, Peeters RLM, de Kok TMCM. The application of omics-based human liver platforms for investigating the mechanism of drug-induced hepatotoxicity in vitro. Archives of toxicology. 2019.

14.        Marx U, Andersson TB, Bahinski A, Beilmann M, Beken S, Cassee FR, et al. Biology-inspired microphysiological system approaches to solve the prediction dilemma of substance testing. Altex. 2016;33(3):272-321.

15.        Herrmann K, Pistollato F, Stephens ML. Beyond the 3Rs: Expanding the use of human-relevant replacement methods in biomedical research. Altex. 2019;36(3):343-52.

16.        Archibald K, Tsaioun K, Kenna JG, Pound P. Better science for safer medicines: the human imperative. Journal of the Royal Society of Medicine. 2018:141076818812783.

17.        Emulate [Emulating human biology, predicting human response]. Available from: https://www.emulatebio.com/.

18.        Tissuse  [Pioneering Human-on-a-Chip developments]. Available from: https://www.tissuse.com/en/.

19.        NCATS-National-Insitute-of-Health-NIH. Transforming Translational Science. 2018.

20.        Curt GA, Chabner BA. One in five cancer clinical trials is published: a terrible symptom--what's the diagnosis? The oncologist. 2008;13(9):923-4.

21.        Arrowsmith J. Phase III and submission failures: 2007–2010. Nature Reviews Drug Discovery. 2011;10(2):87-.

22.        Mak IW, Evaniew N, Ghert M. Lost in translation: animal models and clinical trials in cancer treatment. American journal of translational research. 2014;6(2):114-8.

23.        Cummings JL, Morstorf T, Zhong K. Alzheimer's disease drug-development pipeline: few candidates, frequent failures. Alzheimer's research & therapy. 2014;6(4):37.

24.        Xu SY, Pan SY. The failure of animal models of neuroprotection in acute ischemic stroke to translate to clinical efficacy. Medical science monitor basic research. 2013;19:37-45.

25.        Stingl L, Volkel M, Lindl T. 20 Years of hypertension research using genetically modified animals: no clinically promising approaches in sight. Altex. 2009;26(1):41-51.

26.        Rittirsch D, Hoesel LM, Ward PA. The disconnect between animal models of sepsis and human sepsis. Journal of leukocyte biology. 2007;81(1):137-43.

27.        Edwards J, Belvisi M, Dahlen S-E, Holgate S, Holmes A. Human tissue models for a human disease: what are the barriers? Thorax. 2015;70(7):695.

28.        Mullane K. The increasing challenge of discovering asthma drugs. Biochemical pharmacology. 2011;82(6):586-99.

29.        Ali Z, Chandrasekera PC, Pippin JJ. Animal research for type 2 diabetes mellitus, its limited translation for clinical benefit, and the way forward. Alternatives to laboratory animals : ATLA. 2018;46(1):13-22.

30.        Akhtar AZ, Pippin JJ, Sandusky CB. Animal models in spinal cord injury: a review. Reviews in the neurosciences. 2008;19(1):47-60.

31.        Eastwood D, Findlay L, Poole S, Bird C, Wadhwa M, Moore M, et al. Monoclonal antibody TGN1412 trial failure explained by species differences in CD28 expression on CD4+ effector memory T-cells. British journal of pharmacology. 2010;161(3):512-26.

32.        Tujios S, Fontana RJ. Mechanisms of drug-induced liver injury: from bedside to bench. Nature reviews Gastroenterology & hepatology. 2011;8(4):202-11.

33.        Hartung T. Look back in anger - what clinical studies tell us about preclinical work. Altex. 2013;30(3):275-91.

34.        Leist M, Hartung T. Inflammatory findings on species extrapolations: humans are definitely no 70-kg mice. Archives of toxicology. 2013;87(4):563-7.

35.        Zeng J, Konopka G, Hunt BG, Preuss TM, Geschwind D, Yi SV. Divergent whole-genome methylation maps of human and chimpanzee brains reveal epigenetic basis of human regulatory evolution. American journal of human genetics. 2012;91(3):455-65.

36.        Konopka G, Friedrich T, Davis-Turak J, Winden K, Oldham MC, Gao F, et al. Human-specific transcriptional networks in the brain. Neuron. 2012;75(4):601-17.

37.        Cheval, Pierrat, Rajerison, Piquemal, Doucet. 2012 [Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3463552/#!po=1.25000.

38.        Lauer, B., Tuschl, G., Kling, M. et al. (2009). Species-specific toxicity of diclofenac and troglitazone in primary human and rat hepatocytes. Chem Biol Interact 179, 17-24. doi:10.1016/j.cbi.2008.10.031

Considerato che il 95-98% delle malattie umane è legato allo stile di vita... come possiamo considerare gli animali da laboratorio dei modelli rilevanti per l'uomo?