Od sekcija do CRISPR-a: životinje u biomedicinskim istraživanjima

? 7 min

Svjetski dan laboratorijskih životinja obilježava se svake godine 24. travnja kako bi se povećala svjesnost o eksperimentiranju na životinjama. Životinjski modeli koriste se već duže vremena u znanstvene svrhe, gdje nam pomažu u razumijevanju staničnih mehanizama i kompleksnih bioloških funkcija te u pronalaženju novih lijekova. Zbog anatomskih i fizioloških sličnosti između ljudi i životinja, pogotovo sisavaca, određeni lijekovi, cjepiva i terapije prvo se istražuju na životinjskim (i neživotinjskim) modelima. Naravno, ne mogu se svi rezultati iz životinjskih istraživanja izravno primijeniti na ljude, već nam pomažu u boljem razumijevanju bitnih procesa i odlučuju je li sigurno krenuti eksperimentirati na ljudima. Gotovo je nezamislivo provoditi biomedicinska istraživanja bez životinjskih modela jer su upravo ona ključna za temeljna otkrića – od davnih disekcija do suvremenih tehnologija uređivanja gena.

Što je zapravo biomedicinsko istraživanje?

Biomedicina je grana znanosti koja se bavi istraživanjem bioloških procesa u ljudskom tijelu koja su bitna za razumijevanje bolesti i traženje lijeka za njih. Istraživanja se dijele na pretklinička – koja uključuju različite neljudske modele, jedan od kojih su životinjski (slika 1) i klinička – ona koja se provode na ljudima.

• In silico – računalne simulacije (predviđanje na osnovi postojećih rezultata);
• In vitro – eksperimenti na mikroorganizmima i izvan živućeg organizma u kontroliranim uvjetima (kvantifikacija proteina, PCR);
• Ex vivo – eksperimenti na živućim stanicama ili tkivima izoliranima iz organizma i stavljenima u kontrolirane uvjete (životinjske ili ljudske stanice);
• In situ – identificiranje aktivnih komponenti na njihovom originalnom mjestu u stanici (FISH – fluorescentna in situ hibridizacija);
• Ex situ – izvodi se izvan originalnog mjesta (poput banki gena);
• In vivo – u živućem organizmu, cijeli se organizam promatra dok živi. Neživotinjski (biljke i sjemenje) i životinjski (od jednostavnih nematoda, kukaca, riba, preko kompleksnijih žaba, najčešće korištenih miševa i štakora do neljudskih primata). Ova vrsta istraživanja provodi se kako bi se dobili pretklinički podaci iz kojih se može naslutiti kako bi hipoteza djelovala na ljudima.

Etički problemi

Trenutno se postavlja pitanje prava životinja, pogotovo po pitanju etičnosti biomedicinskih istraživanja. Najčešće spominjani problem upravo je neprimjenjivost svih rezultata životinjskih istraživanja na ljudima. Unatoč tome, ne možemo zanemariti napredak postignut u znanosti korištenjem životinjskih modela. Također, zbog zajedničkih fizioloških elemenata, životinje imaju koristi od dijagnostičkih i kirurških postupaka koji su prvotno bili izmišljeni za ljude. Korištenje životinja strogo je regulirano različitim zakonima. Danas se najčešće vodimo principom 3R, kojim su uvedeni etički elementi u laboratorijskim tehnikama: Reduction (smanjenje broja životinja u eksperimentima), Refinement (na hrvatskom bi to bilo istančanost – korištenje anestezije, izbjegavanje činjenja zla životinjama, pružanje sigurnog i udobnog mjesta za život životinja) i Replacement (zamjena životinjskih modela drugim modelima). Društvo teži potpunom ukidanju korištenja životinja u istraživanjima koncentrirajući se na in vitro modele kao i na nove 3D kulture stanica – organoide.

Kratka povijest biomedicinskih istraživanja

Najraniji zapisi o istraživanju na životinjama sežu do čak 2000 godina prije nove ere, kada su Babilonci i Asirci zabilježili operacije i korištenje lijekova na ljudima i životinjama, iako je prava znanstvena analiza krenula tek u vrijeme antičke Grčke. Galen (grčki istraživač u 2. stoljeću prije nove ere) koristio je različite životinje (svinje, ovce, koze) kako bi pokazao da arterije vode krv po tijelu, a ne zrak. Također je rezao živce kako bi vidio što se događa životinjama kada to napravi, zbog čega se smatra ocem eksperimentalne fiziologije. Tako je počela era seciranja, u kojoj smo došli do velikog broja zaključaka uspoređujući ljudsku i životinjsku anatomiju. Kako je u to vrijeme seciranje ljudskih tijela bilo većinom zabranjeno, nisu se sva otkrića mogla primijeniti na ljude, ali su i dalje koristila kao velika inspiracija generacijama istraživača koje su došle stoljećima kasnije.

Tada je došao mračni srednji vijek, kada se ljudi više nisu mogli toliko slobodno baviti eksperimentima. Gotovo ništa novo nije otkriveno u Europi, dok je na Bliskom istoku liječnik Avicena imao velik utjecaj na medicinu, što se kasnije proširilo na cijeli svijet. U 17. stoljeću došlo je do velikih otkrića na području funkcioniranja ljudskih i životinjskih organizama. William Harvey nastavio je Galenovim stopama i opisao cirkulacijski sustav žaba i reptila. Robert Hooke opisao je funkciju pluća održavajući psa živim puneći mu pluća zrakom. Druga polovica 19. stoljeća označila je početak nove ere u biologiji i medicini zahvaljujući otkrićima Louisa Pasteura u području mikrobiologije. Cijepljenje, test na tuberkulozu, anestezija, transfuzija krvi, otkriće inzulina – sve ovo ovisilo je o eksperimentiranju na životinjama. Nadalje, genomska era počela je objašnjavanjem Thomasa Hunta Morgana na vinskim mušicama kako se genetska informacija nasljeđuje. Kasnije je to dovelo do sekvenciranja cijelog ljudskog genoma. Popis otkrića načinjenih korištenjem životinjskih modela jako se povećao drugom polovicom 20. stoljeća i konstantno se povećava čime pridonosi sveukupnom ljudskom znanju i kvaliteti života.

CRISPR tehnologija

Danas, CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, na hrvatskom: grupirana pravilno razmaknuta kratka palindromska ponavljanja) tehnologija uređivanja gena fokus je biomedicinskih istraživanja. Princip CRISPR-a je jednostavan i prilagođen je iz već postojećih prirodnih načina obrane bakterija (slika 2). Kada virus (bakteriofag) napadne bakteriju, ona izreže segmente DNA invadirajućeg virusa u koristi ih kako bi napravila segmente DNA znani kao CRISPR segmenti. Enzim Cas9 djeluje kao molekularne škare jer može precizno prerezati DNA na točno određenom mjestu. Bakterijski prirodni mehanizam popravka DNA popravljaju lomove DNA i ubacuju virusnu sekvencu. CRISPR segmenti omogućuju bakteriji pamćenje koji virus ju je napao (ili kako bi izgledali virusi slični tom virusu). Ako virus ponovno napadne, bakterije proizvode RNA segmente iz CRISPR segmenata kako bi napali virusnu DNA. Bakterija tada koristi Cas9 ili slične enzime kako bi prerezala DNA i onemogućila napad virusa.

Znanstvenici su primijetili da mogu prvo izrezati određeni dio DNA koristeći Cas9 teda će, ubacivanjem DNA predloška koji žele ubaciti u DNA, bakterija napraviti CRISPR segment isto kao da se radi o virusnoj DNA. CRISPR tehnologija koristi se u velikom broju različitih područja istraživanja i primjenjivana je na velikom broju organizama, od biljaka do primata (slika 3).

Također, velika važnost ove tehnologije očituje se činjenicom da su prošlogodišnje dobitnice Nobelove nagrade za kemiju upravo dvije znanstvenice zadužene za razvoj CRISPR tehnologije, Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna.

CRISPR-Cas9 povećao je količinu proizvedenih transgeničnih životinja (životinja kojima je genom promijenjen dodavanjem jednog ili više gena). Već se koristi u različitim životinjama: nematodama, vinskim mušicama, komarcima malaričarima, morskim ježincima, zebrici, vlasuljama, miševima, neljudskim primatima, i čak ljudskim zigotama.

Životinjski modeli pokazali su se odgovornima za najvažnija otkrića u mnogim biološkim područjima: ljudskoj i životinjskoj anatomiji, fiziologiji, patologiji i farmakologiji. Bez njih razvoj novih lijekova i cjepiva, novih kirurških postupaka i anestezijskih protokola bio bi gotovo nemoguć. Gotovo 90% istraživanja koja su dobila Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu koristila su eksperimente na životinjama.

Kako vam se svidjelo? Kakva su vaša mišljenja o testiranju na životinjama? Kliknite na linkove kako biste više saznali o spomenutim znanstvenicima i znanstvenim člancima!

Ako želite naučiti više o CRISPR-Cas9 tehnologiji, pogledajte ovaj video:

Više o životinjskim modelima u znanstvenim istraživanjima:

1. CRISPR u životinjama i životinjskim modelima
2. Životinjski modeli u biomedicinskim istraživanjima
3. Životinjski modeli u biološkim i biomedicinskim istraživanjima – eksperimentalne i etičke brige
4. Istraživački modeli u biomedicinskim istraživanjima: prednosti i ograničenja