Organismo modelo

Escherichia coli é um organismo modelo prokaryotic grama-negativo

Drosophila melanogaster, um dos assuntos mais famosos para experimentos genéticos

Produtos agrícolas, um dos organismos modelo eucariótico mais estudados em biologia molecular e celular

Um organismo modelo (muitas vezes abreviado para modelo) é uma espécie não humana que é extensivamente estudada para entender fenômenos biológicos particulares, com a expectativa de que as descobertas feitas no organismo modelo forneçam informações sobre o funcionamento de outros organismos. Os organismos modelo são amplamente utilizados para pesquisar doenças humanas quando a experimentação humana seria inviável ou antiética. Essa estratégia é possível pela descendência comum de todos os organismos vivos e pela conservação das vias metabólicas e de desenvolvimento e do material genético ao longo da evolução.

Estudar organismos modelo pode ser informativo, mas deve-se tomar cuidado ao generalizar de um organismo para outro.

Na pesquisa de doenças humanas, os organismos modelo permitem uma melhor compreensão do processo da doença sem o risco adicional de prejudicar um ser humano real. As espécies escolhidas geralmente atenderão a uma determinada equivalência taxonômica para humanos, de modo a reagir à doença ou ao seu tratamento de maneira que se assemelhe à fisiologia humana conforme necessário. Embora a atividade biológica em um organismo modelo não garanta um efeito em humanos, muitos medicamentos, tratamentos e curas para doenças humanas são desenvolvidos em parte com a orientação de modelos animais.

Existem três tipos principais de modelos de doenças: homólogos, isomórficos e preditivos. Animais homólogos têm as mesmas causas, sintomas e opções de tratamento que humanos com a mesma doença. Animais isomórficos compartilham os mesmos sintomas e tratamentos. Os modelos preditivos são semelhantes a uma doença humana específica em apenas alguns aspectos, mas são úteis para isolar e fazer previsões sobre os mecanismos de um conjunto de características da doença.

Existem muitos organismos modelo. Um dos primeiros sistemas modelo para biologia molecular foi a bactéria Escherichia coli, um constituinte comum do sistema digestivo humano. Vários dos vírus bacterianos (bacteriófagos) que infectam E. coli também têm sido muito úteis para o estudo da estrutura gênica e regulação gênica (por exemplo, fagos Lambda e T4). No entanto, é debatido se os bacteriófagos devem ser classificados como organismos, porque não possuem metabolismo e dependem das funções das células hospedeiras para propagação.

Organismos-modelo são extraídos de todos os três domínios da vida, assim como vírus. Os exemplos incluem Escherichia coli (E. coli), fermento de padeiro (Saccharomyces cerevisiae), o vírus do fago T4, a mosca da fruta Drosophila melanogaster, a planta com flor Arabidopsis thaliana, porquinhos-da-índia (Cavia porcellus) e o camundongo (Mus musculus).

História

O uso de animais em pesquisas remonta à Grécia antiga, com Aristóteles (384–322 aC) e Erasístrato (304–258 aC) entre os primeiros a realizar experimentos em animais vivos. Descobertas nos séculos 18 e 19 incluíram o uso de Antoine Lavoisier de uma cobaia em um calorímetro para provar que a respiração era uma forma de combustão, e a demonstração de Louis Pasteur da teoria do germe da doença na década de 1880 usando antraz em ovinos.

A pesquisa usando modelos animais tem sido fundamental para muitas das conquistas da medicina moderna. Contribuiu com a maior parte do conhecimento básico em áreas como fisiologia humana e bioquímica e desempenhou papéis significativos em áreas como neurociência e doenças infecciosas. Por exemplo, os resultados incluíram a quase erradicação da poliomielite e o desenvolvimento do transplante de órgãos, beneficiando humanos e animais. De 1910 a 1927, o trabalho de Thomas Hunt Morgan com a mosca da fruta Drosophila melanogaster identificou os cromossomos como o vetor de herança para os genes. Drosophila tornou-se um dos primeiros, e por algum tempo o mais amplamente utilizado, organismo modelo, e Eric Kandel escreveu que as descobertas de Morgan "ajudaram a transformar a biologia em uma ciência experimental". #34; D. melanogaster continua sendo um dos organismos modelo eucarióticos mais amplamente utilizados. Durante o mesmo período, estudos sobre genética de camundongos no laboratório de William Ernest Castle em colaboração com Abbie Lathrop levaram à geração da linhagem de camundongos DBA ("diluído, marrom e não agouti") e à sistemática geração de outras linhagens endogâmicas. Desde então, o camundongo tem sido amplamente utilizado como organismo modelo e está associado a muitas descobertas biológicas importantes dos séculos XX e XXI.

No final do século 19, Emil von Behring isolou a toxina da difteria e demonstrou seus efeitos em porquinhos-da-índia. Ele desenvolveu uma antitoxina contra a difteria em animais e depois em humanos, que resultou nos métodos modernos de imunização e acabou com a difteria como uma doença ameaçadora. A antitoxina da difteria é notoriamente comemorada na corrida Iditarod, que é modelada após a entrega da antitoxina no soro de 1925 executado em Nome. O sucesso dos estudos com animais na produção da antitoxina da difteria também foi atribuído como causa do declínio da oposição do início do século 20 à pesquisa com animais nos Estados Unidos.

Pesquisas subsequentes em organismos modelo levaram a mais avanços médicos, como a pesquisa de Frederick Banting em cães, que determinou que os isolados de secreção pancreática poderiam ser usados para tratar cães com diabetes. Isso levou à descoberta da insulina em 1922 (com John Macleod) e seu uso no tratamento do diabetes, que antes significava a morte. A pesquisa de John Cade em porquinhos-da-índia descobriu as propriedades anticonvulsivantes dos sais de lítio, que revolucionaram o tratamento do transtorno bipolar, substituindo os tratamentos anteriores de lobotomia ou terapia eletroconvulsiva. Anestésicos gerais modernos, como halotano e compostos relacionados, também foram desenvolvidos por meio de estudos em organismos modelo e são necessários para operações cirúrgicas modernas e complexas.

Na década de 1940, Jonas Salk usou estudos com macacos rhesus para isolar as formas mais virulentas do vírus da poliomielite, o que levou à criação de uma vacina contra a poliomielite. A vacina, que foi disponibilizada ao público em 1955, reduziu a incidência de poliomielite em 15 vezes nos Estados Unidos nos cinco anos seguintes. Albert Sabin melhorou a vacina passando o vírus da poliomielite por hospedeiros animais, incluindo macacos; a vacina Sabin foi produzida para consumo em massa em 1963 e praticamente erradicou a poliomielite nos Estados Unidos em 1965. Estima-se que o desenvolvimento e a produção das vacinas exigiam o uso de 100.000 macacos rhesus, com 65 doses de vacina produzidas a partir de cada macaco. Sabin escreveu em 1992: "Sem o uso de animais e seres humanos, teria sido impossível adquirir o importante conhecimento necessário para evitar muito sofrimento e morte prematura não apenas entre os humanos, mas também entre os animais".

Outros avanços e tratamentos médicos do século 20 que se basearam em pesquisas realizadas em animais incluem técnicas de transplante de órgãos, a máquina coração-pulmão, antibióticos e a vacina contra a tosse convulsa. Tratamentos para doenças animais também foram desenvolvidos, incluindo raiva, antraz, mormo, vírus da imunodeficiência felina (FIV), tuberculose, febre bovina do Texas, peste suína clássica (cólera suína), dirofilariose e outras infecções parasitárias. A experimentação animal continua a ser necessária para a pesquisa biomédica e é usada com o objetivo de resolver problemas médicos como a doença de Alzheimer, AIDS, esclerose múltipla, lesão da medula espinhal, muitas dores de cabeça e outras condições em que não há utilidade. Sistema modelo in vitro disponível.

Seleção

Modelos são aqueles organismos com uma riqueza de dados biológicos que os tornam atraentes para serem estudados como exemplos para outras espécies e/ou fenômenos naturais que são mais difíceis de estudar diretamente. A pesquisa contínua sobre esses organismos concentra-se em uma ampla variedade de técnicas e objetivos experimentais de muitos níveis diferentes de biologia - desde ecologia, comportamento e biomecânica, até a pequena escala funcional de tecidos individuais, organelas e proteínas. As investigações sobre o DNA de organismos são classificadas como modelos genéticos (com tempos de geração curtos, como a mosca-da-fruta e o verme nematóide), modelos experimentais e modelos de parcimônia genômica, investigando a posição central na árvore evolutiva. Historicamente, os organismos modelo incluem um punhado de espécies com extensos dados de pesquisa genômica, como os organismos modelo do NIH.

Muitas vezes, os organismos modelo são escolhidos com base no fato de serem passíveis de manipulação experimental. Isso geralmente incluirá características como ciclo de vida curto, técnicas de manipulação genética (estirpes endogâmicas, linhagens de células-tronco e métodos de transformação) e requisitos de vida não especializados. Às vezes, o arranjo do genoma facilita o sequenciamento do genoma do organismo modelo, por exemplo, por ser muito compacto ou ter uma baixa proporção de DNA lixo (por exemplo, levedura, arabidopsis ou baiacu).

Quando os pesquisadores procuram um organismo para usar em seus estudos, eles procuram várias características. Entre eles estão tamanho, tempo de geração, acessibilidade, manipulação, genética, conservação de mecanismos e potencial benefício econômico. À medida que a biologia molecular comparativa se tornou mais comum, alguns pesquisadores buscaram organismos modelo de uma ampla variedade de linhagens na árvore da vida.

Filogenia e parentesco genético

A principal razão para o uso de organismos modelo em pesquisa é o princípio evolutivo de que todos os organismos compartilham algum grau de parentesco e semelhança genética devido à ancestralidade comum. O estudo de parentes humanos taxonômicos, então, pode fornecer uma grande quantidade de informações sobre mecanismos e doenças dentro do corpo humano que podem ser úteis na medicina.

Várias árvores filogenéticas para vertebrados foram construídas usando proteômica comparativa, genética, genômica, bem como o registro geoquímico e fóssil. Essas estimativas nos dizem que humanos e chimpanzés compartilharam um ancestral comum pela última vez há cerca de 6 milhões de anos (mya). Como nossos parentes mais próximos, os chimpanzés têm muito potencial para nos contar sobre os mecanismos da doença (e quais genes podem ser responsáveis pela inteligência humana). No entanto, os chimpanzés raramente são usados em pesquisas e são protegidos de procedimentos altamente invasivos. Os roedores são os modelos animais mais comuns. As árvores filogenéticas estimam que humanos e roedores compartilharam um ancestral comum por volta de 80-100mya. Apesar dessa divisão distante, humanos e roedores têm muito mais semelhanças do que diferenças. Isso se deve à relativa estabilidade de grandes porções do genoma, tornando o uso de animais vertebrados particularmente produtivo.

Os dados genômicos são usados para fazer comparações próximas entre espécies e determinar parentesco. Os humanos compartilham cerca de 99% de seu genoma com chimpanzés (98,7% com bonobos) e mais de 90% com o camundongo. Com tanto do genoma conservado entre as espécies, é relativamente impressionante que as diferenças entre humanos e camundongos possam ser contabilizadas em aproximadamente seis mil genes (de aproximadamente 30.000 no total). Os cientistas conseguiram tirar proveito dessas semelhanças na geração de modelos experimentais e preditivos de doenças humanas.

Usar

Existem muitos organismos modelo. Um dos primeiros sistemas modelo para biologia molecular foi a bactéria Escherichia coli, um constituinte comum do sistema digestivo humano. Vários dos vírus bacterianos (bacteriófagos) que infectam E. coli também têm sido muito úteis para o estudo da estrutura gênica e regulação gênica (por exemplo, fagos Lambda e T4). No entanto, é debatido se os bacteriófagos devem ser classificados como organismos, porque não possuem metabolismo e dependem das funções das células hospedeiras para propagação.

Em eucariotos, várias leveduras, particularmente Saccharomyces cerevisiae (levedura "baker's" ou "brotamento"), têm sido amplamente utilizadas em genética e biologia celular, em grande parte porque são rápidos e fáceis de crescer. O ciclo celular em uma levedura simples é muito semelhante ao ciclo celular em humanos e é regulado por proteínas homólogas. A mosca da fruta Drosophila melanogaster é estudada, novamente, porque é fácil de crescer para um animal, tem vários traços congênitos visíveis e possui um cromossomo politênico (gigante) em suas glândulas salivares que pode ser examinado sob um microscópio óptico. A lombriga Caenorhabditis elegans é estudada porque tem padrões de desenvolvimento muito definidos envolvendo números fixos de células e pode ser rapidamente testada quanto a anormalidades.

Modelos de doenças

Modelos animais que servem em pesquisa podem ter uma doença ou lesão existente, endogâmica ou induzida que seja semelhante a uma condição humana. Essas condições de teste são frequentemente denominadas como modelos animais de doença. O uso de modelos animais permite que os pesquisadores investiguem estados de doença de maneiras que seriam inacessíveis em um paciente humano, realizando procedimentos em animais não humanos que implicam em um nível de dano que não seria considerado ético infligir a um ser humano.

Os melhores modelos de doença são semelhantes em etiologia (mecanismo de causa) e fenótipo (sinais e sintomas) ao equivalente humano. No entanto, doenças humanas complexas geralmente podem ser melhor compreendidas em um sistema simplificado no qual partes individuais do processo da doença são isoladas e examinadas. Por exemplo, análogos comportamentais de ansiedade ou dor em animais de laboratório podem ser usados para rastrear e testar novos medicamentos para o tratamento dessas condições em humanos. Um estudo de 2000 descobriu que modelos animais concordavam (coincidiam em verdadeiros positivos e falsos negativos) com toxicidade humana em 71% dos casos, com 63% apenas para não roedores e 43% apenas para roedores.

Em 1987, Davidson e cols. sugeriram que a seleção de um modelo animal para pesquisa fosse baseada em nove considerações. Estes incluem

1) adequação como análogo, 2) transferência de informação, 3) uniformidade genética de organismos, quando aplicável, 4) conhecimento de fundo de propriedades biológicas, 5) custo e disponibilidade, 6) generalização dos resultados, 7) facilidade e adaptabilidade à manipulação experimental, 8) consequências ecológicas, e 9) implicações éticas.

Os modelos animais podem ser classificados como homólogos, isomórficos ou preditivos. Os modelos animais também podem ser classificados de forma mais ampla em quatro categorias: 1) experimental, 2) espontâneo, 3) negativo, 4) órfão.

Modelos experimentais são os mais comuns. Estes referem-se a modelos de doenças que se assemelham a condições humanas em fenótipo ou resposta ao tratamento, mas são induzidas artificialmente em laboratório. Alguns exemplos incluem:

• O uso de metrazol (pentilenotetrazol) como um modelo animal de epilepsia
• Indução de lesão cerebral mecânica como modelo animal de epilepsia pós-traumática
• Injeção da neurotoxina 6-hidroxidopamina para partes dopaminérgicas do gânglio basal como um modelo animal da doença de Parkinson.
• Imunização com um auto-antigênio para induzir uma resposta imunológica a doenças auto-imunes modelo tais como encefalomielite auto-imune experimental
• Oclusão da artéria cerebral média como modelo animal de AVC isquêmico
• Injeção de sangue nas gânglios basais de ratos como modelo de AVC hemorrágico
• Sepse e indução de choque séptico prejudicando a integridade dos tecidos de barreira, administrando patógenos vivos ou toxinas
• Infectar animais com patógenos para reproduzir doenças infecciosas humanas
• Injetar animais com agonistas ou antagonistas de vários neurotransmissores para reproduzir transtornos mentais humanos
• Usando radiação ionizante para causar tumores
• Usando a transferência de genes para causar tumores
• Implantes animais com tumores para testar e desenvolver tratamentos usando radiação ionizante
• Geneticamente selecionado (como em ratos diabéticos também conhecidos como ratos NOD)
• Vários modelos animais para o rastreamento de drogas para o tratamento de glaucoma
• O uso do rato ovariectomized na pesquisa da osteoporose
• Utilização Plasmodium yoelii como modelo de malária humana

Os modelos espontâneos referem-se a doenças análogas às condições humanas que ocorrem naturalmente no animal em estudo. Esses modelos são raros, mas informativos. Os modelos negativos referem-se essencialmente a animais de controle, que são úteis para validar um resultado experimental. Os modelos órfãos referem-se a doenças para as quais não existe análogo humano e ocorrem exclusivamente nas espécies estudadas.

O aumento do conhecimento dos genomas de primatas não humanos e outros mamíferos geneticamente próximos aos humanos está permitindo a produção de tecidos, órgãos e até mesmo espécies de animais geneticamente modificados que expressam doenças humanas, fornecendo um modelo mais robusto de doenças humanas em modelo animal.

Os modelos animais observados nas ciências da psicologia e da sociologia são freqüentemente chamados de modelos animais de comportamento. É difícil construir um modelo animal que reproduza perfeitamente os sintomas de depressão nos pacientes. A depressão, assim como outros transtornos mentais, consiste em endofenótipos que podem ser reproduzidos independentemente e avaliados em animais. Um modelo animal ideal oferece a oportunidade de entender os fatores moleculares, genéticos e epigenéticos que podem levar à depressão. Usando modelos animais, as alterações moleculares subjacentes e a relação causal entre alterações genéticas ou ambientais e a depressão podem ser examinadas, o que proporcionaria uma melhor compreensão da patologia da depressão. Além disso, modelos animais de depressão são indispensáveis para identificar novas terapias para a depressão.

Organismos modelo importantes

Organismos-modelo são extraídos de todos os três domínios da vida, assim como vírus. O organismo modelo procariótico mais amplamente estudado é Escherichia coli (E. coli), que tem sido intensamente investigado por mais de 60 anos. É uma bactéria intestinal gram-negativa comum que pode ser cultivada e cultivada de forma fácil e barata em um ambiente de laboratório. É o organismo mais amplamente utilizado em genética molecular e é uma espécie importante nas áreas de biotecnologia e microbiologia, onde serviu como organismo hospedeiro para a maioria dos trabalhos com DNA recombinante.

Modelos simples de eucariotos incluem fermento de padeiro (Saccharomyces cerevisiae) e fermento de fissão (Schizosaccharomyces pombe), ambos os quais compartilham muitos caracteres com células superiores, incluindo os dos humanos. Por exemplo, muitos genes de divisão celular que são críticos para o desenvolvimento do câncer foram descobertos em leveduras. Chlamydomonas reinhardtii, uma alga verde unicelular com genética bem estudada, é usada para estudar fotossíntese e motilidade. C. reinhardtii tem muitos mutantes conhecidos e mapeados e marcadores de sequência expressos, e existem métodos avançados para transformação genética e seleção de genes. Dictyostelium discoideum é usado em biologia molecular e genética, e é estudado como um exemplo de comunicação celular, diferenciação e morte celular programada.

Camundongos de laboratório, amplamente utilizados na pesquisa médica

Entre os invertebrados, a mosca da fruta Drosophila melanogaster é famosa como objeto de experimentos genéticos de Thomas Hunt Morgan e outros. Eles são facilmente criados em laboratório, com gerações rápidas, alta fecundidade, poucos cromossomos e mutações observáveis facilmente induzidas. O nematóide Caenorhabditis elegans é usado para entender o controle genético do desenvolvimento e da fisiologia. Foi proposto pela primeira vez como um modelo para o desenvolvimento neuronal por Sydney Brenner em 1963 e tem sido amplamente utilizado em muitos contextos diferentes desde então. C. elegans foi o primeiro organismo multicelular cujo genoma foi completamente sequenciado e, a partir de 2012, o único organismo a ter seu conectoma ('diagrama de fiação') concluído.

Arabidopsis thaliana é atualmente a planta modelo mais popular. Sua pequena estatura e curto tempo de geração facilita estudos genéticos rápidos, e muitos mutantes fenotípicos e bioquímicos foram mapeados. A. thaliana foi a primeira planta a ter seu genoma sequenciado.

Entre os vertebrados, os porquinhos-da-índia (Cavia porcellus) foram usados por Robert Koch e outros primeiros bacteriologistas como hospedeiros para infecções bacterianas, tornando-se sinônimo de "animal de laboratório" mas são menos comumente usados hoje. O modelo vertebrado clássico atualmente é o camundongo (Mus musculus). Existem muitas cepas endogâmicas, bem como linhagens selecionadas para características particulares, muitas vezes de interesse médico, por exemplo, tamanho do corpo, obesidade, musculosidade e comportamento voluntário de correr na roda. O rato (Rattus norvegicus) é particularmente útil como modelo toxicológico, modelo neurológico e fonte de culturas celulares primárias, devido ao maior tamanho de órgãos e estruturas suborganelares em relação ao camundongo, enquanto os ovos e embriões de Xenopus tropicalis e Xenopus laevis (sapo africano com garras) são usados em biologia do desenvolvimento, biologia celular, toxicologia e neurociência. Da mesma forma, o peixe-zebra (Danio rerio) tem um corpo quase transparente durante o desenvolvimento inicial, o que fornece acesso visual exclusivo à anatomia interna do animal durante esse período. O peixe-zebra é usado para estudar o desenvolvimento, a toxicologia e a toxicopatologia, a função de genes específicos e o papel das vias de sinalização.

Outros organismos modelo importantes e alguns de seus usos incluem: fago T4 (infecção viral), Tetrahymena thermophila (processos intracelulares), milho (transposons), hidras (regeneração e morfogênese), gatos (neurofisiologia), galinhas (desenvolvimento), cães (sistemas respiratório e cardiovascular), Nothobranchius furzeri (envelhecimento) e primatas não humanos, como o macaco rhesus e o chimpanzé (hepatite, HIV, doença de Parkinson, cognição e vacinas).

Organismos modelo selecionados

Os organismos abaixo se tornaram organismos modelo porque facilitam o estudo de certos caracteres ou por causa de sua acessibilidade genética. Por exemplo, E. coli foi um dos primeiros organismos para os quais foram desenvolvidas técnicas genéticas, como transformação ou manipulação genética.

Os genomas de todas as espécies modelo foram sequenciados, incluindo seus genomas mitocondriais/cloroplastos. Os bancos de dados de organismos modelo existem para fornecer aos pesquisadores um portal para baixar sequências (DNA, RNA ou proteína) ou para acessar informações funcionais sobre genes específicos, por exemplo, a localização subcelular do produto gênico ou seu papel fisiológico.

Limitações

Muitos modelos animais que servem como cobaias em pesquisas biomédicas, como ratos e camundongos, podem ser seletivamente sedentários, obesos e intolerantes à glicose. Isso pode confundir seu uso para modelar processos metabólicos humanos e doenças, pois podem ser afetados pela ingestão de energia alimentar e exercícios. Da mesma forma, existem diferenças entre os sistemas imunológicos de organismos modelo e humanos que levam a respostas significativamente alteradas a estímulos, embora os princípios subjacentes da função do genoma possam ser os mesmos. Os ambientes empobrecidos dentro de gaiolas de laboratório padrão negam aos animais de pesquisa os desafios mentais e físicos necessários para o desenvolvimento emocional saudável. Sem variedade diária, riscos e recompensas e ambientes complexos, alguns argumentaram que os modelos animais são modelos irrelevantes da experiência humana.

Os ratos diferem dos humanos em várias propriedades imunológicas: os ratos são mais resistentes a algumas toxinas do que os humanos; possuem menor fração total de neutrófilos no sangue, menor capacidade enzimática dos neutrófilos, menor atividade do sistema complemento e um conjunto diferente de pentraxinas envolvidas no processo inflamatório; e carecem de genes para componentes importantes do sistema imunológico, como IL-8, IL-37, TLR10, ICAM-3, etc. Camundongos de laboratório criados em condições livres de patógenos específicos (SPF) geralmente têm um sistema imunológico bastante imaturo com um déficit de células T de memória. Esses camundongos podem ter diversidade limitada da microbiota, o que afeta diretamente o sistema imunológico e o desenvolvimento de condições patológicas. Além disso, infecções virais persistentes (por exemplo, herpesvírus) são ativadas em humanos, mas não em camundongos SPF, com complicações sépticas e podem alterar a resistência a coinfecções bacterianas. Camundongos “sujos” são possivelmente mais adequados para imitar patologias humanas. Além disso, linhagens de camundongos endogâmicos são usadas na esmagadora maioria dos estudos, enquanto a população humana é heterogênea, apontando para a importância de estudos em camundongos híbridos, endogâmicos e não lineares entre linhagens.

Viés não intencional

Alguns estudos sugerem que dados publicados inadequados em testes em animais podem resultar em pesquisas irreprodutíveis, com detalhes ausentes sobre como os experimentos são feitos omitidos de artigos publicados ou diferenças nos testes que podem introduzir viés. Exemplos de viés oculto incluem um estudo de 2014 da McGill University em Montreal, Canadá, que sugere que ratos manipulados por homens, e não por mulheres, apresentaram níveis mais altos de estresse. Outro estudo em 2016 sugeriu que os microbiomas intestinais em camundongos podem ter um impacto na pesquisa científica.

Alternativas

As preocupações éticas, bem como o custo, a manutenção e a relativa ineficiência da pesquisa com animais encorajaram o desenvolvimento de métodos alternativos para o estudo de doenças. A cultura celular, ou estudos in vitro, fornecem uma alternativa que preserva a fisiologia da célula viva, mas não requer o sacrifício de um animal para estudos mecanísticos. Células-tronco pluripotentes induzíveis humanas também podem elucidar novos mecanismos para entender o câncer e a regeneração celular. Estudos de imagem (como ressonância magnética ou PET) permitem o estudo não invasivo de seres humanos. Avanços recentes em genética e genômica podem identificar genes associados a doenças, que podem ser direcionados para terapias.

Muitos pesquisadores biomédicos argumentam que não há substituto para um organismo vivo ao estudar interações complexas em patologias ou tratamentos de doenças.

Ética

O debate sobre o uso ético de animais em pesquisas remonta pelo menos a 1822, quando o Parlamento britânico, sob pressão de intelectuais britânicos e indianos, promulgou a primeira lei de proteção animal prevenindo a crueldade contra o gado. Isso foi seguido pela Lei de Crueldade contra os Animais de 1835 e 1849, que criminalizou maus-tratos, excesso de direção e tortura de animais. Em 1876, sob pressão da National Anti-Vivissection Society, o Cruelty to Animals Act foi alterado para incluir regulamentos que regem o uso de animais em pesquisas. Essa nova lei estipulou que 1) os experimentos devem ser comprovados como absolutamente necessários para a instrução, ou para salvar ou prolongar a vida humana; 2) os animais devem ser devidamente anestesiados; e 3) os animais devem ser mortos assim que o experimento terminar. Hoje, esses três princípios são fundamentais para as leis e diretrizes que regem o uso de animais e pesquisas. Nos Estados Unidos, a Lei de Bem-Estar Animal de 1970 (ver também Lei de Bem-Estar de Animais de Laboratório) estabelece padrões para uso e cuidados com animais em pesquisa. Esta lei é aplicada pelo programa Animal Care da APHIS.

Em ambientes acadêmicos nos quais o financiamento do NIH é usado para pesquisas com animais, as instituições são regidas pelo NIH Office of Laboratory Animal Welfare (OLAW). Em cada local, as diretrizes e padrões da OLAW são mantidos por um conselho de revisão local chamado Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC). Todos os experimentos de laboratório envolvendo animais vivos são revisados e aprovados por este comitê. Além de provar o potencial de benefício para a saúde humana, minimização da dor e angústia e eutanásia oportuna e humana, os experimentadores devem justificar seus protocolos com base nos princípios de Substituição, Redução e Refinamento.

"Substituição" refere-se aos esforços para envolver alternativas ao uso de animais. Isso inclui o uso de modelos de computador, tecidos e células não vivos e a substituição de animais de “ordem superior” (primatas e mamíferos) por animais de ordem “inferior” (por exemplo, animais de sangue frio, invertebrados) sempre que possível.

"Redução" refere-se aos esforços para minimizar o número de animais usados durante o curso de um experimento, bem como a prevenção da replicação desnecessária de experimentos anteriores. Para satisfazer este requisito, cálculos matemáticos de poder estatístico são empregados para determinar o número mínimo de animais que podem ser usados para obter um resultado experimental estatisticamente significativo.

"Refinamento" refere-se aos esforços para tornar o planejamento experimental o mais indolor e eficiente possível, a fim de minimizar o sofrimento de cada sujeito animal.