Risultati infiammatori sulle estrapolazioni tra specie: gli esseri umani definitivamente non sono topi di 70 kg

[Leist M, Hartung T. Inflammatory findings on species extrapolations: humans are definitely no 70-kg mice. Arch Toxicol. 2013 Apr;87(4):563-7. doi: 10.1007/s00204-013-1038-0. Epub 2013 Mar 19.]

ABSTRACT: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23503654

FULL TEXT: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3604596/

Abstract:

“La tossicologia moderna ha abbracciato i metodi in vitro, e le maggiori speranze sono basate sulla tecnologia dell’ -omica e gli approcci alla biologia dei sistemi che porta con sé  (Hartung and McBride in ALTEX 28(2):83–93, 2011; Hartung et al. in ALTEX 29(2):119–28, 2012). Una cultura di stringente validazione è stata sviluppata per questo tipo di approcci  (Leist et al. in ALTEX 27(4):309–317, 2010; ALTEX 29(4):373–88, 2012a; Toxicol Res 1:8–22, 2012b), mentre la qualità e l’utilità degli esperimenti sugli animali sono state poco esaminate. Un nuovo studio (Seok et al. 2013) ora mostra la bassa predittività delle risposte degli animali nel campo dell’infiammazione. Questi risultati confermano precedenti risultati di comparazione nei campi della neurodegenerazione, dell’ictus e della sepsi. La bassa predittività degli esperimenti su animali nelle aree di ricerca che permettono il confronto diretto dei dati provenienti dal topo rispetto ai dati umani mette in forte dubbio l’utilità dei dati animali come tecnologia chiave per predire la sicurezza umana.”

 

Riportiamo anche parti interessanti dell’articolo:

“[…] La valutazione se gli esperimenti su animali forniscano un valido punto di partenza per la previsione di un pericolo umano può seguire due linee principali. La prima raccoglie le prove dei casi di intossicazione umana. Almeno per alcuni composti, ciò permette un confronto diretto degli effetti sugli animali e sull’uomo. Gli esempi più evidenti dei casi di studio che suggeriscono una misera predittività sono l’esperienza con talidomide, o con il candidato farmaco TGN1412, che hanno causato terribili effetti nell’uomo che non erano stati previsti sulla base dei dati disponibili sugli animali (Stebbings et al. 2007). La mancanza di correlazione è vista anche al contrario, cioè quando i dati di roditori predicono il cancro per composti che sono sicuri nell’uomo (Gold et al. 2005; Basketter et al. 2012). Per alcune classi di composti, ci sono anche esempi positivi di dati sugli animali quantitativamente previdenti tossicità. Tuttavia, in molti settori della tossicologia (ad esempio nel campo dei pesticidi) tali dati comparativi sono difficilmente reperibili. Inoltre, questo approccio induttivo (usando studi di casi singoli) non consente affermazioni generali conclusive sull’utilità degli esperimenti sugli animali. Pertanto, come seconda linea, sono state concepite strategie deduttive di affrontare la questione. Tali approcci richiedono risposte a due tipi di domanda. Per esempio: (a) esiste almeno un campo in cui possono essere ottenuti dati comparativi di alta qualità? (B) si può mostrare, o ragionevolmente supporre, che la predittività degli animali per l’uomo non si distingue fondamentalmente in diversi campi della ricerca biomedica? Se le risposte a queste domande possono essere ottenute, una terza fase sarebbe la combinazione delle risposte per la deduzione di una conclusione generale.

Ci occuperemo qui della seconda questione solo per breve tempo. La risposta derivante dallo screening della letteratura scientifica deve essere chiaramente ‘sì’. Decine di migliaia di pubblicazioni, tutte peer-reviewed, spesso in riviste d’alto impatto, si basano sul presupposto che gli animali siano predittivi per l’uomo in tutte le diverse aree di ricerca dell’uso di animali. Le affermazioni comparative che un’area sia particolarmente bene o particolarmente male prevista non possono essere motivate dalla letteratura scientifica disponibile. Enormi quantità di denaro pubblico vengono spese sul presupposto che gli animali siano utili per tutti i settori biomedici. Nessuna agenzia di concessione ha mai dichiarato un particolare campo della ricerca medica inutile per la ricerca sugli animali. Gli animali vengono applicati in modo uniforme come modello in tutti i settori della farmacologia, della tossicologia e nella ricerca in generale nella biologia delle malattie. Quest’uso è approvato da comitati di esperti scientifici, da comitati etici, dalle agenzie di finanziamento e dai decisori politici che canalizzano le ingenti somme per il finanziamento della ricerca e dello sviluppo in diverse aree. Il crescente utilizzo di animali per la ricerca negli ultimi anni è stato accelerato dalla generazione diffusa di topi transgenici. L’aumento della sperimentazione animale nella maggior parte dei settori biomedici ha sovracompensato tutti gli sforzi di successo per sostituire gli animali in alcuni settori della ricerca (Hartung and Leist 2008; Blaauboer et al. 2012; Leist et al. 2012a; Hasiwa et al. 2011). La prova concreta della fede nell’utilità della sperimentazione animale attraverso i campi (in termini di centinaia di milioni di dollari e di euro investiti sulla base di questo assunto) è schiacciante.

Questo riguarda anche il campo della tossicologia, che non può essere separata da altre aree della ricerca biomedica, per quanto riguarda i meccanismi biologici e la loro correlazione nell’uomo e negli animali in oggetto  (Leist et al. 2008a; Hartung 2009). La tossicologia ha beneficiato molto da risultati e metodi di altri campi, e si presume generalmente che le regole biochimiche e fisiologiche, così come le loro controparti patologiche scoperte da diverse discipline mediche, si applichino anche al settore delle scienze della sicurezza (Leist et al. 2008b; Rossini and Hartung 2012). Possiamo quindi tranquillamente presumere che la predittività dei modelli animali sia giudicata altrettanto elevata in farmacologia e in tossicologia, e la parte seguente si concentrerà su dove trovare buoni dati comparativi degli animali rispetto all’uomo.

Una risposta è stata fornita da un recente e notevole studio di Seok et al. (2013) dal ‘programma di ricerca collaborativa a larga scala sull’infiammazione e la risposta dell’ospite alla lesione’. Hanno scelto l’infiammazione come campo di ricerca medica, in cui sono disponibili dati umani e in cui i modelli murini sembrano avere una somiglianza meccanicistica molto buona per la situazione della malattia umana. La risposta biologica alle lesioni è stata analizzata a livello molecolare, guardando nella regolazione di circa 5.000 geni umani rilevanti per l’infiammazione e confrontandola con le risposte della controparte murina. Il risultato è stato sorprendente, quasi sconvolgente: la correlazione non solo era misera, era praticamente assente per le aree di studio principali: ustioni, traumi, endotossiemia. Quando lo studio è stato esteso ad altri settori, come sepsi e infezioni, le misere correlazioni di dati umani e di topo sono state confermate. Così, le risposte sui topi non possono predire le reazioni umane; almeno in questi campi. Sulla base delle considerazioni di cui sopra (domanda (b)), non vi è ragione di credere che la correlazione sarebbe migliore in qualsiasi altro campo.

Si potrebbe sostenere, che questo è solo uno studio, e solo uno molto particolare e su di un piccolo campo. In questo contesto, è importante esaminare i motivi per i quali questi esperimenti sono stati eseguiti. L’articolo di Seok non è uno studio indipendente, ma è stato innescato da preoccupanti risultati di 20 anni di ricerca, che ha suggerito che modelli animali non-predittivi potrebbero essere la ragione per i numerosi insuccessi clinici di nuovi farmaci nel campo della sepsi. La sepsi è una risposta infiammatoria sistemica e ancora una delle principali cause di morte sulle stazioni ad alta intensità in tutto il mondo. Per questo motivo, enormi risorse sono state dedicate alla ricerca di base e ai suoi meccanismi per la scoperta di farmaci. Infiniti articoli sono apparsi in rivis
te ad alto impatto già negli anni ’90, ma la traslazione di qualsiasi risultato animale falliva nelle fasi cliniche. Opal e Cross (1999) hanno riassunto già allora ‘E’ ormai dolorosamente evidente che i modelli animali forniscono stime fuorvianti ed eccessivamente ottimistiche del beneficio di sopravvivenza di specifici farmaci antisepsi rispetto alla reale efficacia clinica nell’attuale sepsi umana’. Questa situazione non è migliorata con il tempo per le prove e per l’ottimizzazione di studi sugli animali (Buras et al. 2005). Quando l’unico trattamento scoperto da questo approccio, una proteina C-reattiva attivata è stata dovuta essere ritirata dal mercato nel 2011, più di 100 ulteriori studi clinici sono stati eseguiti, e divenne evidente che ogni singolo approccio che aveva avuto successo negli animali aveva fallito (Rittirsch et al. 2007; Christaki et al. 2011). Tuttavia, studi su animali in questo campo continuano ad essere finanziati. Questo in qualche modo ricorda il comportamento del principe Amleto come è stato descritto da Polonio: ‘c’è del metodo nella sua follia’.

I topi continuano ad essere utilizzati come modelli, dato che il loro fallimento in passato è stato dichiarato non essere a causa di una generale inidoneità dei modelli animali, ma piuttosto di una scarsa qualità, standardizzazione e adattamento ai quesiti clinici di tali studi. E’ infatti vero che vi è una forte evidenza di deficit nella qualità e nella segnalazione di studi su animali (Hartung 2008; Macleod and van der Worp 2010; Kilkenny et al. 2010; van der Worp et al. 2010; van der Worp and Macleod 2011). Su questa base, ci si può chiedere se il valore traslazionale (Hackam and Redelmeier 2006; Rice 2012) è sufficientemente elevato da giustificare un ulteriore uso.

Eventualmente, la scarsa correlazione, e la sua relazione con la qualità della sperimentazione animale sono caratteristiche particolari di ricerca sull’infiammazione e sull’infezione. Per esaminare questo, vale la pena dare un’occhiata a un campo di ricerca completamente diverso: l’ictus ischemico. Condivide una caratteristica importante con la ricerca sull’infiammazione: i modelli animali si pensa siano concettualmente molto vicini alla situazione umana. In un ictus ischemico umano, la circolazione del sangue è occlusa ed esattamente la stessa è modellata negli animali. Nell’endotossiemia, in lesioni, infezioni o bruciature, gli stimoli negli esseri umani e nei topi sono esattamente gli stessi. Questa è una situazione favorevole, rispetto ai campi della neurodegenerazione correlata all’età, malattie cardiovascolari, diabete di tipo II, asma o cancro, che richiedono la generazione di modelli animali piuttosto artificiali. Torniamo all’ictus: quanto bene lavorano i modelli animali? Lavorano similmente all’infiammazione: non a tutti. Oltre alla trombolisi, ogni singolo trattamento neuroprotettivo per l’ischemia cerebrale che ha funzionato con successo negli animali (oltre 500 sono stati riportati (van der Worp et al. 2010)) è fallito nell’uomo. Questa affermazione negativa si basa su di un gran numero di prove, comprendese decine di grandi studi e centinaia di quelli più piccoli (De Keyser et al. 1999; Gladstone et al. 2002; O’Collins et al. 2006; Savitz and Fisher 2007). Inoltre, in questo campo, il guasto è stato attribuito agli standard di ricerca miseri, e i criteri di qualità sono stati definiti modificanti questa situazione. Il fallimento di farmaci, malgrado il rispetto di tali criteri, ha innescato quindi la progettazione di nuovi criteri (Dirnagl and Fisher 2012; Savitz and Fisher 2007). Inoltre, a questo riguardo, la ricerca ictus assomiglia alla ricerca sull’infiammazione. La conclusione alternativa, che gli studi sugli animali non sono intrinsecamente adatti per prevedere la situazione umana, è considerata più raramente (Musch et al. 2006; Matthews 2008).

Prima di una generalizzazione rapida delle conclusioni, è certamente prudente dare un’occhiata più da vicino alle aree di ricerca adiacenti. Un campo collegato alle infiammazioni e alle infezioni è la ricerca che si occupa di “contromisure al terrorismo biologico e chimico e alla guerra”. Questo esempio è evidenziato qui, come il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha sponsorizzato un report del National Academy of Science degli USA sui “modelli animali per valutare le contromisure per agenti di bioterrorismo”, pubblicato nel dicembre 2011 (NRC 2011). L’utilità dei modelli animali è stata valutata da scienziati di fama, e la conclusione della relazione è che i modelli animali non sarebbero utili. Invece, è stata rilasciata la raccomandazione che dovrebbero essere sviluppati sistemi in vitro 3D di cellule umane. Questa decisione è stata presa in maniera così seria che complessivamente 200 milioni di $ sono stati resi disponibili dal momento per la ricerca in questo campo (Hartung and Zurlo 2012). Settori scientifici connessi a quello dell’ictus ischemico sono le malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer o di Parkinson. Questo campo ha visto grandi investimenti del settore privato e pubblico. Decine di farmaci neuroprotettivi e principi sono stati scoperti negli animali, nessuno di essi ha mai funzionato nell’uomo.

Tuttavia, la convinzione che la ricerca su topi possa portare ad informazioni sulle malattie umane e sui loro trattamenti è ancora tenuta salda dalla maggior parte delle agenzie di finanziamento scientifico. I risultati sulle differenze di specie tendono ad essere trascurati, e l’inclinazione dei dati disponibili verso i risultati positivi su animali da parte di un bias di pubblicazione è stata solo recentemente svelata (Sena et al. 2010). Solo per citare alcuni esempi, è stato chiaro prima dello studio di Seok che la segnalazione del TLR4, un processo fondamentale nella risposta infiammatoria, è diversa nell’uomo e nel topo (Schmidt et al. 2010), ed è generalmente noto che molti mediatori infiammatori prendono ruoli molto diversi in specie diverse. Anche le regolazioni fondamentali che vanno dal controllo neurale delle vie aeree (Schlepütz et al. 2012) alla biologia delle cellule staminali (Schnerch et al. 2010) sono molto diverse tra le specie. Tutte queste prove suggeriscono che gli animali non sono particolarmente buoni predittori degli umani, nelle aree in cui abbiamo dati comparativi sulle diverse specie. La tossicologia è un’eccezione? Almeno alcuni dati comparativi sono disponibili dai farmaci che sono stati valutati prima negli animali, poi nell’uomo. Il più grande studio comparativo in questo settore (Olson et al. 2000) trova una misera (vale a dire, il 43%) predittività dei roditori per l’uomo. Si afferma esplicitamente che questo non è necessariamente a causa del diverso metabolismo, ma forse a causa di una biologia diversa. Alcuni esempi di tali differenze molecolari nella tossicodinamica sono ben noti. Per esempio, l’uomo è circa 1000 volte più sensibile all’inibizione della Na-K ATPasi da parte del glicoside cardiaco ouabaina rispetto al topo (Kent et al. 1987), e la differenza di sensibilità all’endotossina batterica può avere una portata anche di milioni di volte  (Seok et al. 2013; Hasiwa et al. 2013). Così, ci sono molti esempi individuali che suggeriscono che gli esseri umani non sono semplicemente topi di 70 kili, né in farmacologia, né in tossicologia. Il recente studio di Seok et al. (2013) ha confermato questo concetto, basato su di un ampio approccio sistematico. Le dichiarazioni di questo lavoro sono state approvate dagli scienziati di fama che hanno confidato negli studi su animali in passato. La loro dichiarazione, sul fallimento dei topi nel prevedere per l’uomo in un settore importante della farmacologia, dovrebbe essere preso sul serio – e serve anche come spunto di riflessione in tossicologia.”

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