Por Elizabeth Burke

Martes, 9 de agosto de 2016

Los científicos utilizan diversas técnicas de laboratorio para investigar la causa genética de las enfermedades humanas. La investigación a menudo utiliza células o muestras de tejido de los pacientes, pero para determinar si una mutación en un gen específico puede causar los síntomas de un paciente, a menudo necesitamos modelos animales experimentales.

Mientras que los ratones y las ratas han sido opciones comunes para modelar enfermedades humanas en el pasado, el uso del pez cebra está ganando rápidamente popularidad. ¿Le sorprende? Déjeme que se lo explique.

¿Qué son los peces cebra?

Los peces cebra son peces tropicales de agua dulce de la familia de los pececillos. En estado salvaje, se encuentran en los ríos y estanques de la India, aunque ahora suelen estar disponibles en las tiendas de animales. El nombre de «pez cebra» proviene de las rayas azules horizontales que tienen a cada lado de su cuerpo.

El pez cebra, llamado así por sus rayas, prefiere vivir en grandes grupos llamados bancos.

¿Cómo se puede modelar una enfermedad humana en un pez?

Aunque los humanos puedan parecer extremadamente diferentes al pez cebra, en realidad somos mucho más parecidos a ellos de lo que se piensa. De hecho, el 70% de los genes humanos se encuentran en el pez cebra.

Además, el pez cebra tiene dos ojos, boca, cerebro, médula espinal, intestino, páncreas, hígado, conductos biliares, riñón, esófago, corazón, oído, nariz, músculo, sangre, hueso, cartílago y dientes. Muchos de los genes y vías críticas que se requieren para el crecimiento de estas características están muy conservados entre los humanos y el pez cebra. Por lo tanto, cualquier tipo de enfermedad que provoque cambios en estas partes del cuerpo en los seres humanos podría modelarse teóricamente en el pez cebra.

¿Por qué utilizar el pez cebra cuando se podrían utilizar ratones?

Aunque los ratones son evolutivamente más parecidos a los seres humanos porque son mamíferos, el pez cebra tiene varias ventajas sobre sus peludos competidores.

Una ventaja importante del pez cebra es que los adultos son pequeños y prefieren ser alojados en grandes grupos, o «bancos». Como resultado, necesitan mucho menos espacio y su mantenimiento es más barato que el de los ratones.

El Núcleo de Peces Cebra de los NIH alberga cientos de miles de peces cebra en una instalación de vanguardia.

Otra ventaja es que los peces cebra adultos se reproducen con facilidad (aproximadamente cada 10 días) y pueden producir hasta 50 o 300 huevos a la vez. Esto es muy diferente a lo que ocurre con los ratones, ya que generalmente producen camadas de una a 10 crías y sólo pueden tener aproximadamente tres camadas en su vida. Los experimentos científicos suelen repetirse varias veces para demostrar que los resultados son precisos, por lo que contar con un animal que pueda producir un gran número de crías una y otra vez resulta útil.

Los embriones de pez cebra también se ponen y fecundan externamente, lo que permite manipularlos fácilmente de diversas maneras. Si es necesario, se puede realizar una fecundación in vitro. Los huevos fecundados en una fase de la célula pueden inyectarse fácilmente con ADN o ARN para modificar permanentemente su composición genética con el fin de generar líneas de pez cebra transgénicas o knock-out. Trabajar con ratones de esta manera es mucho más complicado. Los embriones de ratón se desarrollan dentro de la madre, y para acceder a ellos y manipularlos habría que sacrificar a la madre. Para mantener los embriones con vida después de fecundarlos o inyectarlos, habría que trasplantarlos también a otra hembra de ratón.

La larva de pez cebra, la etapa de desarrollo que va de los tres a los treinta días después de la fecundación, crece en longitud de aproximadamente 3,5 a 8 milímetros.

Además, los embriones de pez cebra son transparentes, lo que permite a los científicos observar al microscopio cómo los huevos fecundados se convierten en crías completamente formadas. Su transparencia también permite visualizar los tejidos marcados con fluorescencia en los embriones transgénicos de pez cebra. Los embriones de ratón no son transparentes y se desarrollan en el interior de la madre, por lo que la observación del desarrollo embrionario en vivo como la del pez cebra no es posible.

Sin embargo, hay un límite en cuanto a los tipos de enfermedades que pueden estudiarse en el pez cebra. Las enfermedades humanas causadas por genes que no existen en el pez cebra requieren un modelo animal diferente. Además, el pez cebra no es un modelo útil para las enfermedades humanas que tienen lugar principalmente en un tipo de tejido o parte del cuerpo que el pez cebra no tiene (por ejemplo, la próstata, las glándulas mamarias, los pulmones).

¿Cómo se utiliza exactamente el pez cebra para investigar las enfermedades humanas?

A menudo se secuencia el ADN de un paciente para encontrar una mutación en un gen que podría causar los síntomas de su enfermedad. Para determinar si la pérdida de función de ese gen podría causar los síntomas observados en el paciente, se muta o «elimina» el mismo gen en el pez cebra, y luego se examina a los peces para detectar síntomas similares. Aunque es mucho más difícil, también se puede introducir en el pez cebra la mutación exacta que tiene el paciente, lo que se denomina «knock-in».

Si se observan uno o más de los síntomas del paciente en el modelo knock-out o knock-in del pez cebra, éste puede utilizarse para estudios posteriores que ayuden a determinar por qué la mutación en ese gen causa la enfermedad. Por ejemplo, se puede examinar la estructura de las fibras musculares en busca de anomalías bajo el microscopio si el paciente tiene una enfermedad muscular. O si los síntomas de la enfermedad del paciente comenzaron durante el desarrollo en el útero, se pueden examinar embriones de pez cebra knock-out o knock-in para detectar cambios en la expresión de los genes (en comparación con los embriones sin la mutación) que podrían provocar un desarrollo anormal. En el caso de un paciente con una enfermedad neurológica, las neuronas de los embriones knock-out pueden marcarse con fluorescencia para ver si se forman de forma incorrecta.

Además de utilizar los modelos de enfermedad del pez cebra para caracterizar las enfermedades humanas, los investigadores también pueden identificar y probar nuevos fármacos para tratar las enfermedades modeladas. La capacidad del pez cebra de generar muchos embriones cada vez que se reproduce lo hace especialmente útil para el cribado de fármacos de alto rendimiento.

¿Cuáles son algunos ejemplos de enfermedades humanas que han sido modeladas con éxito en el pez cebra?

Se ha demostrado que la generación de un knock-out del gen de la distrofina en el pez cebra se asemeja mucho a la gravedad y la progresión de la enfermedad humana distrofia muscular de Duchenne. Se ha encontrado que los pacientes con distrofia muscular de Duchenne llevan mutaciones en la distrofina y demuestran debilidad muscular en la infancia que empeora progresivamente. Tanto en humanos como en el modelo de pez cebra, la pérdida de distrofina lleva gradualmente a fibras musculares necróticas que son reemplazadas por células inflamatorias, fibrosis, y fibras musculares de tamaño anormal.

Esta figura muestra diferencias visuales en el músculo entre la larva de pez cebra de tipo salvaje (A, B, C) y la larva distrófica (A’, B’, C’). Fuente: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3484855/

El melanoma humano también ha sido modelado con éxito en el pez cebra. La mutación más comúnmente identificada en los melanomas humanos -un solo cambio de aminoácido en el gen BRAF- se creó en el pez cebra para hacer un modelo knock-in. Dado que los cánceres están causados por una combinación de varias alteraciones genéticas, esta línea de pez cebra knock-in se utilizó para examinar otras posibles mutaciones causantes de cáncer. Cuando se añadió al pez cebra knock-in BRAF otra mutación del gen SETDB1 comúnmente observada en los melanomas, se desarrolló rápidamente un melanoma. Estos resultados ayudaron a establecer que SETDB1 es un gen importante en el crecimiento del melanoma.

Estos ejemplos de cómo los humanos y el pez cebra pueden manifestar la misma enfermedad a pesar de lo diferentes que parecemos hacen que sea fácil entender por qué el pez cebra se está convirtiendo en un modelo animal bien aceptado. Aquí, en el Programa de Enfermedades No Diagnosticadas de los NIH, realizamos estudios con el pez cebra como uno de los diversos enfoques para investigar la posible implicación de genes alterados en las enfermedades extremadamente raras de nuestros pacientes. Mientras que los ratones han sido el puente animal predominante entre el banco y la cabecera del enfermo en el pasado, estudios recientes han demostrado el potencial del pez cebra para servir como una alternativa manejable a los ratones. La adopción del pez cebra como organismo modelo emergente no podría ser más oportuna, ya que los estudios con ratones no suelen trasladarse a los humanos. Aunque ningún animal puede modelar perfectamente una enfermedad humana, creo que estos pequeños nadadores rayados tienen un gran potencial para avanzar en la investigación médica en el futuro.

Para saber más sobre cómo el pez cebra contribuye a la ciencia biomédica y a la salud humana, visite los sitios web de la Iniciativa Trans-NIH sobre el pez cebra y el Núcleo del pez cebra del NICHD.