Genetycznie modyfikowane zwierzęta w badaniach medycznych

Aleksandra Łukaszewicz, Jakub Szyszko

relacja na podstawie raportu krytycznego, wykonanego na zlecenie Fundacji „Animal Fund”

Setki milionów zwierząt jest używanych w badaniach medycznych i genetycznych. Fundacja „Animal Aid” zleciła wykonanie raportu dotyczącego genetycznych modyfikacji zwierząt.

1.Podstawowe dane zebrane w raporcie.

Całościowa liczba eksperymentów na zwierzętach w Wielkiej Brytanii w latach 1975-85 spadła o około 40%. Zastosowanie zwierząt nie modyfikowanych nadal spadało w powolnym tempie od 85 r., podczas gdy zastosowanie zwierząt genetycznie modyfikowanych zaczęło wzrastać, odwracając panujący trend. Obecnie w Wielkiej Brytanii wzrasta liczba eksperymentów na zwierzętach, 1/3 badań są przeprowadzone na zw. modyfikowanych.

A) Badania nad GMO nie spełniają danych obietnic.

Wątpliwe są efekty badań na zw. GM odnośnie znalezienia leku na takie choroby jak Alzheimer, Cystic Fibrosis (niszczy trzustkę u wszystkich pacjentów i zabija przez chorobę płuc), czy zespół Downa. Myszy z identyczną mutacją co chorujący ludzie na CF nie mają tych samych objawów chorobowych lecz umierają od zatorów w jelitach niespotykanych u ludzii.

Genetycznie modyfikowane zwierzęta nie zdołały również wyjaśnić choroby Alzheimera u ludzi, ani nawet zreplikować jej patologię. Myszy z patologią mózgu taką, jak u pacjentów ludzkich z chorobą Alzheimera nie wykazywały żadnych lub prawie żadnych objawów chorobowych. Zawiodły tez nadzieję na wyjaśnienie innych genów powiązanych z chorobą Alzheimera. Nieskuteczne okazały się także badania w odniesieniu do chorób takich jak, choroba Parkinsona i cukrzyca.

Dla kontrastu trzeba wskazać, że w tym samym czasie badania oparte na innych metodach przynoszą znaczne postępy w odniesieniu do wymienionych chorób.

B) Xenotransplantacja

Xenotransplantacja również okazuje się być wysoce ryzykowna z uwagi na pojawienie się nowych licznych chorób pochodzących od dawcy – zwierzęcia. Powstaje także pytanie o zasadność hodowli zwierząt modyfikowanych w kierunku produkcji substancji leczniczych – na ludzkie schorzenia – w mleku.

Pomijając wszelkie aspekty morale i etyczne związane z wszelkimi działaniami człowieka w kierunku modyfikacji organizmów, kolejnym czynnikiem nie sprzyjającym badaniom są ich bardzo wysokie koszty. Zarówno koszty wyhodowania grup zwierząt, jak i obsługi ludzi zajmujących się przedsięwzięciem.

C) Alternatywne rozwiązania

Jako alternatywę twórcy raportu proponują zastąpienie wszelkich doświadczeń zw. ze zwierzętami transgenicznymi:

  • modelowaniem komputerowym i zaawansowanymi technologiami skanowania
  • badaniami na ludzkich tkankach i komórkach (komórkach macierzystych, tzw. komórkach pnia) za pomocą użycia mikromacierzy DNA – płytki szklanej lub plastikowej onaniesionych w regularnych odstępach mikroskopijnej wielkości – polami (ang. spots), które zawierają różne sekwencje fragmentów DNA; fragmenty te są sondami, które wykrywają (za pomocą hybrydyzacji) komplementarne do siebie cząsteczki DNA lub RNA

II. Metody hodowli genetycznie modyfikowanych zwierząt.

Istnieje wiele różnych technik stosowanych do generowania zwierząt transgenicznych, można je wszystkie podzielić na 3 kategorie :

  1. Technika oparta na wirusach.

Jest to najstarsza z trzech głównych technologii. Następuje w niej wprowadzenie wirusa do komórki, po to, aby dostarczył transgen do docelowych jaj. Obecnie naukowcy z niej rezygnują, ze względu na jej niedoskonałość: wielokrotne wprowadzanie transgenu do obcego genomu utrudnia lub wręcz uniemożliwia interpretacje efektów badań.

Stosowanie tej metody daje niewielką ilość żywych transgenicznych organizmów, prowadzi do produkcji tzw. mozaikowych zwierząt, których transgen jest przenoszony i dokonuje ekspresji jedynie w niektórych komórkach ciała. Dodatkowo wiadomo, że materiał genetyczny wirusów łączy się z sekwencjami DNA obcego genomu, co w konsekwencji prowadzi do powstania nowych, bardziej zajadłych wirusów.

Ponadto, znany jest fenomen zwany „wprowadzoną onkogenezą”, gdzie komórki do których zostały wprowadzone obce genomy wirusów, ulegały zrakowaceniu.

2. Pronuklearne mikroiniekcje

Ta często stosowana metoda, stanowi normę badawczą ze względu na jej skuteczność w porównaniu do wirusowej transgenezy, chociaż typowa skuteczność wynosi 1-10% i nadal 90-99% zwierząt jest zabijana.

W tej technice, samice zwierząt (np. myszy) otrzymują zastrzyk hormonalny, wywołujący wzmożoną produkcje komórek jajowych. Po takiej sesji hormonalnej zapładnia się naturalnie samice, które po określonym czasie zabija się w celu uzyskania embrionów. Następnie wprowadza się do nich transgeny za pomocą iniekcji. 20 lub 30 embrionów jest wówczas transferowanych do odpowiedniej liczby „pseudociężarnych” samic myszy (które były uprzednio przygotowane do przyjęcia ciąży). Po trzech tygodniach od wykonanego transferu następuje poród zwierząt, które przeżyły ten proces. Zazwyczaj 4-5% początkowych embrionów zawiera transgen.

3. Embrionalne jądro komórkowe

Ta metoda posługuje się jądrem komórek, które mogą przekształcić się kom. mózgu mięśni itp. We wczesnym stadium rozwoju – blastocycie. Blastocyty to embriony, które rozwinęły się kilka dni po zapłodnieniu i składają się z ok. 100.kom., które jeszcze się nie zagnieździły. Embriony, które mają tylko kilka dni, są pobierane z wcześniej zabitego zwierzęcia. Komórki jądra są izolowane i przechodzą proces inkubacji in vitro. W tym czasie wprowadzany jest transgen za pośrednictwem zaprojektowanego wirusa lub prądu elektrycznego. Transgen jest wprowadzany razem z innym genem tzw. markerem, który pozwala zidentyfikować jądro komórkowe zawierajace transgen, oraz je wyselekcjonować antybiotykiem – tylko komórki zawierające transgen będą na niego odporne. Następnie zostają one połączone z nowym, „obcym” blastocytem, który jest następnie transferowany do ciężarnej samicy.

Ten proces powoduje powstawanie czasem zwierząt zwanych jako chimery, które składają się z komórek pochodzących z zawierających transgen komórek jadrowych i z komórek blastocytu. Często myszy stosowane jako źródło tych komórek, są różnych kolorów, tak, że proporcje tych dwóch rodzajów komórek w zwierzętach transgenicznych można szacować tylko obserwując ich umaszczenie.

Zaletą tej techniki jest fakt, że wprowadzenie transgenu do obcego genomu jest ukierunkowane precyzyjnie, dzięki szczególnym elementom DNA otaczającym transgen. To obniża wywołanie mutacji w obcych genach, przez bardziej przypadkowe wprowadzenie. Jednak ta technika jest tak samo efektywna jak technika mikroiniekcji i także powoduje olbrzymie liczby zmarnowanych embrionów i dorosłych zwierząt.

a) Obecny rozwój technologii genetycznych modyfikacji

Podejmowane są próby przekroczenia problemów zw. z transgenezą, takie, jak transfer genu za pomocą nasienia (SMGT). Ta metoda opiera się na inkubacji komórek nasienia w roztworze DNA zawierającym transgen, podczas której liczy się na absorpcję trasgenu przez spermę, po to, by móc je później transferować, podczas procesu zapłodnienia in vitro.

Mimo obietnic sukcesu ta metoda jest na razie niezbyt skuteczna.

W sierpniu 2005r. 9 mln dolarów zostało przeznaczonych przez komisję europejską na produkcję 20 000 embrionalnych jąder komórkowych myszy. Ten projekt zwany EUCOMM, znacznie poszerza naszą obecną wiedzę na temat chorób ludzkich.

b) Mutacja i mutogeneza

Jak już było wspominane, genetyczne modyfikacje nie ograniczają się tylko do wymienionych powyżej technik. Zmiany w DNA pojawiają się w sposób naturalny, stanowiąc bazę ewolucji i selekcję naturalną organizmów. Mutacje były stosowane w badaniach genetycznych od dziesięcioleci – śledzono naturalnie pojawiające się mutację genów i kierowano nimi dalej, a także celowo wywoływano mutacje by zobaczyć ich efekty.

Mutację DNA pojawiają się spontanicznie w wyniku błędów spowodowanych przez elementy machinerii komórkowej, odpowiedzialnej za kopiowanie i naprawianie DNA, albo w wyniku oddziaływania takich czynników jak chemikalia, promieniowanie UV w procesie zwanym mutagenezą. W normalnych okolicznościach takie błędy zdarzają się rzadko i są naprawiane nie dając efektów chorobowych, jednak wiarygodność tego procesu jest niewystarczająca, zwłaszcza jeśli DNA jest zniszczone w wielu miejscach lub zniszczenie jest poważne.

Badanie mutacji genów i łączenie z obserwowalnymi charakterystykami jednostek (typami), które je przenoszą pomogło zwiększyć wiedzę na temat funkcji genu. W ostatniej dekadzie prowadziło to do przypadkowej mutagenezy i monitorowania myszy w wielkoskalowych projektach, z nadzieją, że zostanie rzucone trochę światła na funkcję wielu odkrytych genów, w ramach, np. projektu ludzkiego genomu.

c) Mutageneza myszy

Najczęściej stosowany związek chemiczny na myszach to ENU (N-ethyl-N-nitrosourea – N-etylo-N-nitrozomocznik) ze względu na jego wysoki potencjał. Jest on wstrzykiwany samcom myszy, których zmutowana sperma po zapłodnieniu komórki jajowej, produkuje pokolenie mysz z różnymi mutacjami genetycznymi. Poszczególne jednostki z interesującymi fenotypami, są wybierane do dalszych badań, aby zidentyfikować z pośród 10 tyś. genów te, które zmutowały i które z nich są odpowiedzialne za abnormalny wygląd lub zachowanie zwierząt.

To podejście było szeroko stosowane w celu zrozumienia funkcji genu u myszy, z nadzieją, że uzyskane informacje będą adekwatne do sytuacji ludzkiej, a zatem także przydatne w badaniach nad chorobami ludzkimi.

Zastosowania we wspólnym projekcie „Mutagenezy Myszy” dotyczy skomplikowanych zachowań ludzkich, związanych z uzależnieniami od alkoholu i od narkotyków, chorobami psychicznymi, epilepsją, abnormanością czaszki i oka, a także wielu innych ludzkich chrób. Wiele setek typów mutantów myszy zostało stworzonych poprzez monitorowanie wielu dziesiątek tysięcy zwierząt, z których wszystkie objawiały pewne rodzaje deformacji, abnormalności w zachowaniu lub fizjologicznej dysfunkcji.

Etyczny koszt tych projektów jest nieuniknienie wysoki. Jedynie 1-2% zwierząt zostaje zachowanych – są to te, które objawiaja interesujące dla badaczy zmiany fenotypowe, 98-99% jest zabijanych natychmiast, gdyż nie mają nic „nowego” do zaoferowania. Spośród 1-2% „szczęśliwców” średnio tylko ¼ będzie posiadała nową mutację, przydatną do dalszych badań.

III. Zastosowanie GM zwierząt i problemy z nimi związane

  1. Produkcja organów do transplantacji dla ludzi

Ze względu na nieustanny niedostatek organów ludzkich do transplantacji, od wielu lat podejmowane były próby zastosowania organów zwierzęcych, czyli ksenotransplantacji. Próby te, zawiodły, gdyż system immunologiczny człowieka odrzuca zwierzęcy organ.

Ażeby przezwyciężyć ten problem podjęto manipulacje genetyczne świń. Argumentem przemawiającym za zastosowaniem tego gatunku jest fakt, że organy świń są mniej więcej tych samych rozmiarów, co ludzkie. (Ponadto, ze względu na ich stosowanie jako pożywienia dla ludzi, badania nad nimi nie stwarzają większości problemów etycznych).

Manipulacje genetyczne świń mają na celu produkcję organów mniej podatnych na odrzucenie przez ludzkiego biorcę. Próbuje się to osiągnąć za pomocą usuwania powierzchni protein, które sygnalizują organizmowi dawcy pojawienie się „intruza”, lub za pomocą dodawania ludzkich protein, które mogą powstrzymać mechanizmy molekularne, odpowiedzialne za odrzucenie organu.

Jednak proces odrzucenia organu okazał się bardziej skomplikowany, niż pierwotnie przypuszczano, zawierając wiele genów i ścieżek molekularnych, które muszą zostać wydzielone, by osiągnąć zamierzony cel, jakim jest przyjęcie organu zwierzęcego przez ludzki organizm.

Ponadto, niedoszacowana okazała się skala problemu wirusów przenoszonych przez świnie. Przykładami infekcji międzygatunkowej mogą być wirusy Ebola i Marburg pochodzące od małp, BSE/CJD pochodzące od krów, ostatnia epidemia ptasiej grypy w Azji, a także przypuszczalnie ewolucja HIV z wirusa pochodzącego od małp.

Przykłady przejścia wirusa od świń do ludzi:

  • wirus Nipah, który zabił ponad 100 osób w Malezji w 1999 roku

  • „hiszpańska grypa”, która prawdopodobnie pojawiła się w wyniku mutacji wirusa grypy świni

Oczywistym jest, że ryzyko infekcji nie dotyczy tylko osób poddawanych ksenotransplantacji, ale każdy jest zagrożony. Szczególnie niebezpieczeństwo stanowi rodzaj wirusa świni, zwany „Porcine Endogenous Retrovirus” (PERU). Eksperymenty wykazały, że te wirusy zatruwają tkanki ludzkie, a nie mogą zostać usunięte z organów świni-dawcy.

Możliwe alternatywy do ksenotransplantacji, opartej na genetycznych manipulacjach:

  • zachęcanie ludzi do takiej zmiany trybu życia, która pomaga unikać konieczności transplantacji

  • umożliwianie potencjalnych dawcom oddawania organów do transplantacji

  • technologia oparta na jądrze komórkowym, która obiecuje produkcję tkanek i organów do „autotransplantacji” (jest już ona stosowana do naprawy serca u pacjentów nie wymagających jeszcze transplantacji

2. Fabryki farmaceutyczne

Ludzkie proteiny są stosowane w leczeniu wielu chorób, takich jak skleroza, rak, mukowistycoza, malaria, „hepatitis” (?). Od pewnego czasu udaje się je produkować za pomocą różnych technik, w tym także technik genetycznych modyfikacji kultur bakterii i drożdży, kultur komórek ssaków i roślin, a także zbóż. Każda z tych technik posiada zarówno wady, jak i zalety.

Ostatnio do badań nad produkcją leczniczych protein doszły zwierzęta transgeniczne, nie tyle ze względu na konieczność tego posunięcia, ile na przekonanie, żywione przez producentów leczniczych protein, że możliwe będzie szerokie rozwinięcie produkcji zwierząt transgenicznych, które da nieograniczone zasoby tanich protein leczniczych.

Krowy, kurczaki, kozy, świnie, króliki i owce są poddawane genetycznym modyfikacjom, w celu produkcji leczniczych protein. Ten przemysł zwany jest „biohodowlą”. Proteiny są uzyskiwane przede wszystkim w mleku zwierząt, ale także w moczu, krwi i nasieniu.

Poza problemami etycznymi, analogicznymi, jak w przypadku innych badań nad zwierzętami, powstają tu dodatkowe trudności. Przede wszystkim, zgodnie z zamierzeniem ekspresja transgenu powinna być ograniczona do np. gruczołu piersiowego (u zwierząt mających produkować lecznicze proteiny w mleku). Jednak pewien poziom ekspresji genu objawia się też w innych tkankach. W efekcie proteiny są często odnajdywane w krwi zwierząt, co może powodować poważne negatywne konsekwencje zdrowotne, powodując patologie u zwierząt (jak podaje National Academy of Science ze Stanów Zjednoczonych).

Niepokój naukowców, w odniesieniu do tych przedsięwzięć, dotyczy też ryzyka międzygatunkowej transmisji chorób. To ryzyko oczywiście istnieje, jednak może być traktowane jako mniej istotne przez pacjentów uzależnionych od leczniczych protein.

Pojawia się w tym momencie jednak jeszcze jeden problem: wiele, jeśli nie wszystkie, ludzkie proteiny nie będzie prawidłowo funkcjonować pod względem strukturalnym, funkcjonalnym i biochemicznym, jeśli nie zostaną one wyprodukowane w ludzkim otoczeniu, np. w kulturach komórek ludzkich. Niektóre proteiny mogą być produkowane np. w bakteriach, ale inne objawiają istotne różnice będą produkowane poza otoczeniem ludzkim.

Proteiny lecznicze powinny być produkowane w komórkach „wyższych”, więc dlaczego produkować je raczej w mleku krowy, zamiast w kulturach komórek ludzkich? Odpowiedź jest jedna: zysk.

3. Klonowanie

Chociaż klonowanie zwierząt nie stanowi w ścisłym sensie genetycznej modyfikacji, warto przyjrzeć się mu w tym kontekście, ze względu na fakt, że proces klonowanie jest niezwykle istotny dla badań transgenicznych.

Technika, starająca się wyprodukować fizyczną replikę jednostkowego organizmu, opiera się łączeniu komórki osobnika, mającego zostać sklonowanym (który może, ale nie musi być genetycznie zmodyfikowany) z jajem komórki od dawcy, z którego zostały usunięte nukleotydy zawierające DNA. Jajo może się wówczas rozwijać, ale opiera się na programie DNA, pochodzącym od innej jednostki.

Głównym naukowym argumentem, wysuwanym na rzecz tych działań, jest tzw. „klonowanie terapeutyczne” i technologie „reproduktywnego klonowania”. Istnieje nadzieja, że terapetyczne klonowanie może służyć do produkcji części ciała, organów i komórek, które idealnie pasują do organizmu potrzebującego przeszczepu pacjenta.

Reproduktywne klonowanie ma z kolei na celu umożliwienie replikowania interesujących zwierząt transgenicznych.

Jednak klonowanie jest wysoce nieefektywnym procesem, o niskim poziomie przeżycia i wysokim powodowanego cierpienia zwierząt poddawanych badaniom. Średnio tylko jedno zwierzę osiąga dojrzałość z każdych 100 manipulowanych jaj – tak że poziom błędu wynosi 99%. 1% zwierząt „udanych” będzie ponadto objawiało wady i deformacje oraz wiele z nich umrze przedwcześnie.

W sierpniu 2005 roku podano raport na temat pierwszego klonu psa – charta rasy Afgańskiej – który został stworzony w Południowej Korei. Zespół odpowiedzialny za badanie dokonał transferu 1095 embrionów do 123 matek zastępczych, ale tylko trzy ciąże były udane.

Pomijając istotne moralne i etyczne aspekty działań człowieka w kierunku modyfikacji organizmów, należy wspomnieć, że kolejnym czynnikiem przemawiającym przeciwko tym badaniom są ich bardzo wysokie koszty, w które wliczają się koszty wyhodowania grup zwierząt, aparatury do badań, czy wynagrodzeń osób biorących udział w przedsięwzięciu.

http://www.animalaid.org.uk/h/n/CAMPAIGNS/experiments/ALL/740/

Prezentacja w formacie [*.ppt] dostępna [tutaj]