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El ratón de laboratorio o ratón de laboratorio es un pequeño mamífero del orden Rodentia que se cría y se utiliza para la investigación científica o como comedero para ciertas mascotas. Los ratones de laboratorio suelen ser de la especie Mus musculus . Son el modelo de investigación mamífero más utilizado y se emplean para la investigación en genética , fisiología , psicología , medicina y otras disciplinas científicas . Los ratones pertenecen al clado Euarchontoglires , que incluye a los humanos . Esta estrecha relación, la alta homología asociada con los humanos, su facilidad de mantenimiento y manejo y su alta tasa de reproducción, hacen que los ratones sean modelos particularmente adecuados para la investigación orientada a los humanos. El genoma del ratón de laboratorio ha sido secuenciado y muchos genes de ratón tienen homólogos humanos. [1] Los ratones de laboratorio se venden en tiendas de mascotas como alimento para serpientes y también se pueden tener como mascotas .
Otras especies de ratones que a veces se utilizan en la investigación de laboratorio incluyen dos especies americanas, el ratón de patas blancas ( Peromyscus leucopus ) y el ratón de ciervo norteamericano ( Peromyscus maniculatus ).
Los ratones se han utilizado en la investigación biomédica desde el siglo XVII, cuando William Harvey los utilizó para sus estudios sobre reproducción y circulación sanguínea y Robert Hooke los utilizó para investigar las consecuencias biológicas de un aumento en la presión del aire. [2] Durante el siglo XVIII, Joseph Priestley y Antoine Lavoisier utilizaron ratones para estudiar la respiración . En el siglo XIX, Gregor Mendel llevó a cabo sus primeras investigaciones sobre la herencia en el color del pelaje del ratón, pero su superior le pidió que dejara de criar en su celda "criaturas malolientes que, además, copulaban y tenían relaciones sexuales". [2] Luego cambió sus investigaciones a los guisantes, pero, como sus observaciones se publicaron en una revista botánica algo oscura, fueron prácticamente ignoradas durante más de 35 años hasta que fueron redescubiertas a principios del siglo XX. En 1902, Lucien Cuénot publicó los resultados de sus experimentos con ratones que mostraban que las leyes de la herencia de Mendel también eran válidas para los animales, resultados que pronto se confirmaron y se extendieron a otras especies. [2]
A principios del siglo XX, Clarence Cook Little , estudiante de Harvard, estaba realizando estudios sobre la genética del ratón en el laboratorio de William Ernest Castle . Little y Castle colaboraron estrechamente con Abbie Lathrop , que era una criadora de ratones y ratas de lujo que comercializaba entre aficionados a los roedores y cuidadores de mascotas exóticas, y más tarde comenzó a vender en grandes cantidades a investigadores científicos. [3] Juntos generaron la cepa de ratón endogámico DBA (diluido, marrón y no agutí) e iniciaron la generación sistemática de cepas endogámicas. [4] Desde entonces, el ratón se ha utilizado ampliamente como organismo modelo y se asocia con muchos descubrimientos biológicos importantes de los siglos XX y XXI. [2]
El Laboratorio Jackson en Bar Harbor, Maine , es actualmente uno de los mayores proveedores de ratones de laboratorio del mundo, con alrededor de 3 millones de ratones al año. [5] El laboratorio también es la fuente mundial de más de 8.000 cepas de ratones definidos genéticamente y alberga la base de datos de informática del genoma del ratón . [6]
El inicio de la reproducción se produce alrededor de los 50 días de edad, tanto en las hembras como en los machos, aunque las hembras pueden tener su primer estro a los 25-40 días. Los ratones son poliéstricos y se reproducen durante todo el año; la ovulación es espontánea. La duración del ciclo estral es de 4-5 días y dura aproximadamente 12 horas, y se produce por la tarde. Los frotis vaginales son útiles en los apareamientos programados para determinar la etapa del ciclo estral. El apareamiento puede confirmarse por la presencia de un tapón copulador en la vagina hasta 24 horas después de la cópula. La presencia de esperma en un frotis vaginal también es un indicador confiable de apareamiento. [7]
El período de gestación promedio es de 20 días. Un estro posparto fértil ocurre 14-24 horas después del parto , y la lactancia y la gestación simultáneas prolongan la gestación de 3 a 10 días debido al retraso en la implantación. El tamaño promedio de la camada es de 10 a 12 durante la producción óptima, pero depende en gran medida de la cepa. Como regla general, los ratones consanguíneos tienden a tener períodos de gestación más largos y camadas más pequeñas que los ratones exogámicos e híbridos . Las crías se denominan cachorros y pesan entre 0,5 y 1,5 g (0,018 a 0,053 oz) al nacer, no tienen pelo y tienen los párpados y las orejas cerrados. Los cachorros se destetan a las 3 semanas de edad cuando pesan alrededor de 10 a 12 g (0,35 a 0,42 oz). Si la hembra no se aparea durante el estro posparto, reanuda el ciclo 2 a 5 días después del destete. [7]
Los machos recién nacidos se distinguen de las hembras recién nacidas por la mayor distancia anogenital y la papila genital más grande en los machos. Esto se logra mejor levantando las colas de los hermanos de camada y comparando el perineo . [7]
Los ratones son mamíferos del clado (un grupo formado por un antepasado y todos sus descendientes) Euarchontoglires , lo que significa que se encuentran entre los parientes no primates más cercanos de los humanos junto con los lagomorfos , las musarañas arbóreas y los lémures voladores .
Los ratones de laboratorio son de la misma especie que el ratón doméstico ; sin embargo, a menudo son muy diferentes en comportamiento y fisiología . Hay cientos de cepas endogámicas , exogámicas y transgénicas establecidas. Una cepa , en referencia a los roedores, es un grupo en el que todos los miembros son lo más parecidos posible a genéticamente idénticos. En los ratones de laboratorio, esto se logra mediante la endogamia . Al tener este tipo de población, es posible realizar experimentos sobre el papel de los genes o realizar experimentos que excluyan la variación genética como factor. Por el contrario, las poblaciones exogámicas se utilizan cuando no son necesarios genotipos idénticos o se requiere una población con variación genética, y generalmente se las denomina stocks en lugar de cepas . [8] [9] Se han desarrollado más de 400 cepas endogámicas estandarizadas. [ cita requerida ]
La mayoría de los ratones de laboratorio son híbridos de diferentes subespecies, más comúnmente de Mus musculus domesticus y Mus musculus musculus . Los ratones de laboratorio pueden tener una variedad de colores de pelaje, incluidos agutí, negro y albino . Muchas (pero no todas) las cepas de laboratorio son endogámicas. Las diferentes cepas se identifican con combinaciones específicas de letras y dígitos; por ejemplo, C57BL/6 y BALB/c . Las primeras cepas endogámicas de este tipo fueron producidas en 1909 por Clarence Cook Little , quien influyó en la promoción del ratón como organismo de laboratorio. [10] En 2011, se estimó que el 83% de los roedores de laboratorio suministrados en los EE. UU. eran ratones de laboratorio C57BL/6. [11]
La secuenciación del genoma del ratón de laboratorio se completó a finales de 2002 utilizando la cepa C57BL/6. Éste fue el segundo genoma de mamífero en ser secuenciado después del humano. [11] El genoma haploide tiene alrededor de tres mil millones de pares de bases de longitud (3.000 Mb distribuidos en 19 cromosomas autosómicos más 1, respectivamente, 2 cromosomas sexuales), por lo tanto, es igual al tamaño del genoma humano. [ cita requerida ] Calcular el número de genes contenidos en el genoma del ratón es difícil, en parte porque la definición de un gen todavía se está debatiendo y ampliando. El recuento actual de genes codificantes primarios en el ratón de laboratorio es de 23.139. [12] en comparación con un estimado de 20.774 en humanos. [12]
Se han creado varias cepas mutantes de ratones mediante diversos métodos. Entre las numerosas cepas disponibles, se incluye una pequeña selección:
Desde 1998, es posible clonar ratones a partir de células derivadas de animales adultos.
Existen muchas cepas de ratones que se utilizan en la investigación, sin embargo, las cepas endogámicas suelen ser los animales de elección para la mayoría de los campos. Los ratones endogámicos se definen como el producto de al menos 20 generaciones de apareamiento entre hermanos y hermanas, y todos los individuos derivan de una única pareja reproductora. [15]
Los ratones consanguíneos tienen varios rasgos que los hacen ideales para fines de investigación. Son isogénicos , lo que significa que todos los animales son casi idénticos genéticamente. [16] Aproximadamente el 98,7% de los loci genéticos en el genoma son homocigotos , por lo que probablemente no haya rasgos recesivos "ocultos" que puedan causar problemas. [16] También tienen fenotipos muy unificados debido a esta estabilidad. [16]
Muchas cepas endogámicas tienen rasgos bien documentados que las hacen ideales para tipos específicos de investigación. La siguiente tabla muestra las 10 cepas más populares según Jackson Laboratories .
El proyecto DO ( Diversity Outbred ) de Jackson Labs [30] es un programa de cría de ratones que utiliza múltiples cepas fundadoras endogámicas para crear una población genéticamente diversa de ratones para su uso en investigación científica.
Estos ratones están diseñados para realizar un mapeo genético preciso y capturan una gran parte de la diversidad genética del genoma del ratón. [31]
Este proyecto ha dado como resultado más de 1.000 ratones genéticamente diversos que se han utilizado para identificar factores genéticos de enfermedades como la obesidad, el cáncer, la diabetes y el trastorno por consumo de alcohol. [32]
Los ratones de laboratorio han conservado muchas de las características físicas y de comportamiento de los ratones domésticos; sin embargo, debido a muchas generaciones de selección artificial, algunas de estas características varían notablemente en la actualidad. Debido a la gran cantidad de cepas de ratones de laboratorio, no resulta práctico describir de manera exhaustiva la apariencia y el comportamiento de todas ellas; sin embargo, a continuación se describen las de dos de las cepas más utilizadas.
Los ratones C57BL/6 tienen un pelaje de color marrón oscuro, casi negro. Son más sensibles a los ruidos y los olores y tienen más probabilidades de morder que las cepas de laboratorio más dóciles, como los BALB/c . [39]
Los ratones C57BL/6 (y otras cepas) alojados en grupos muestran un comportamiento de rapado, que solía considerarse un signo de dominio. Sin embargo, ahora se sabe que se trata más bien de un comportamiento estereotipado desencadenado por el estrés, comparable a la tricotilomanía en humanos o al desplume de plumas en loros. [40] Los ratones que han sido rapados en exceso pueden tener grandes parches de calvicie en sus cuerpos, comúnmente alrededor de la cabeza, el hocico y los hombros, aunque el rapado puede aparecer en cualquier parte del cuerpo. También puede ocurrir que los ratones se rapen a sí mismos. Se les puede quitar tanto el pelo como las vibrisas . El rapado se observa con más frecuencia en ratones hembra; los ratones machos son más propensos a mostrar dominio a través de peleas. [41]
El C57BL/6 tiene varias características inusuales que lo hacen útil para algunos estudios de investigación pero inadecuado para otros: es inusualmente sensible al dolor y al frío, y los medicamentos analgésicos son menos efectivos en esta cepa. [42] A diferencia de la mayoría de las cepas de ratones de laboratorio, el C57BL/6 bebe bebidas alcohólicas voluntariamente. Es más susceptible que el promedio a la adicción a la morfina , la aterosclerosis y la pérdida de audición relacionada con la edad . [11] Cuando se compara directamente con los ratones BALB/c, los ratones C57BL/6 también expresan una respuesta robusta a las recompensas sociales [43] [44] y la empatía. [45]
BALB/c es una cepa albina criada en laboratorio de la que se derivan varias subcepas comunes. Con más de 200 generaciones criadas desde 1920, los ratones BALB/c están distribuidos globalmente y se encuentran entre las cepas endogámicas más utilizadas en la experimentación animal . [46]
Las células BALB/c se caracterizan por mostrar altos niveles de ansiedad y por ser relativamente resistentes a la aterosclerosis inducida por la dieta , lo que las convierte en un modelo útil para la investigación cardiovascular. [47] [48]
Los ratones BALB/c machos son agresivos y lucharán contra otros machos si se los mantiene juntos. Sin embargo, la subcepa BALB/Lac es mucho más dócil. [49] La mayoría de las subcepas de ratones BALB/c tienen una vida reproductiva prolongada. [46]
Se han observado diferencias entre las distintas subcepas BALB/c, aunque se cree que se deben a mutaciones más que a contaminación genética. [50] La BALB/cWt es inusual porque el 3% de la progenie muestra hermafroditismo verdadero . [51]
Un modelo útil para la enfermedad de Alzheimer (EA) en el laboratorio es la cepa de ratones Tg2576. Las mutaciones dobles K670M y N671L observadas en la variante de empalme 695 humana de la proteína precursora amiloide (APP) son expresadas por esta cepa. Un promotor del gen de la proteína priónica de hámster , predominantemente en las neuronas, impulsa la expresión. En comparación con los compañeros de camada no transgénicos, los ratones Tg2576 muestran un aumento de cinco veces en Aβ40 y un aumento de 10 a 15 veces en Aβ42/43. [52] [53] [54] Estos ratones desarrollan placas seniles vinculadas a respuestas inflamatorias celulares porque sus cerebros tienen aproximadamente cinco veces más APP humana mutante transgénica que APP de ratón autóctono. Los ratones exhiben características principales de la enfermedad de Alzheimer (EA), como una mayor generación de fibrillas amiloides con el envejecimiento, formación de placas y deterioro del aprendizaje y la memoria del hipocampo . Los ratones Tg2576 son un buen modelo para la etapa temprana de la enfermedad de Alzheimer porque muestran amiloidogénesis y deterioro de la memoria de trabajo vinculados con la edad, pero no muestran degeneración neuronal. [55] La ausencia de muerte celular sugiere que los cambios en las cascadas de señalización celular típicas involucradas en el aprendizaje y la plasticidad sináptica probablemente estén vinculados al fenotipo de la memoria. Los deterioros del aprendizaje asociativo se exacerban cuando los ratones Tg2576 se cruzan con animales transgénicos PS1 que poseen la mutación A246E FAD. Este cruce promueve la acumulación de amiloide y el desarrollo de placa en el SNC. [56] Esto da credibilidad a la teoría de que la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer está influenciada por la interacción entre los productos de los genes APP y PS-1. Aunque los ratones Tg2576 no replican perfectamente la etapa avanzada de la enfermedad de Alzheimer con muerte celular, sí ofrecen una plataforma para investigar la fisiología y la bioquímica de la enfermedad. Con la ayuda de modelos de ratones transgénicos, los investigadores pueden avanzar en la investigación de la enfermedad de Alzheimer al comprender las intrincadas relaciones entre los productos genéticos que están involucrados en la producción del péptido Aβ. [57] [58]
Tradicionalmente, los ratones de laboratorio se cogían por la base de la cola. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que este tipo de manipulación aumenta la ansiedad y el comportamiento aversivo. [59] En su lugar, se recomienda manipular a los ratones utilizando un túnel o las manos ahuecadas. En pruebas de comportamiento, los ratones manipulados por la cola muestran menos disposición a explorar e investigar los estímulos de prueba, a diferencia de los ratones manipulados por el túnel, que exploran con facilidad y muestran respuestas sólidas a los estímulos de prueba. [60]
En la naturaleza, los ratones suelen ser herbívoros y consumen una amplia variedad de frutas o cereales. [61] Sin embargo, en los estudios de laboratorio suele ser necesario evitar la variación biológica y, para lograrlo, los ratones de laboratorio casi siempre se alimentan solo con pienso comercial granulado para ratones. La ingesta de alimento es de aproximadamente 15 g (0,53 oz) por cada 100 g (3,5 oz) de peso corporal por día; la ingesta de agua es de aproximadamente 15 ml (0,53 imp fl oz; 0,51 US fl oz) por cada 100 g de peso corporal por día. [7]
Las vías de administración de las inyecciones en ratones de laboratorio son principalmente subcutánea , intraperitoneal e intravenosa . No se recomienda la administración intramuscular debido a la pequeña masa muscular. [62] También es posible la administración intracerebral. Cada vía tiene un sitio de inyección recomendado, un calibre aproximado de la aguja y un volumen máximo inyectado recomendado en una sola vez en un sitio, como se indica en la siguiente tabla:
Para facilitar la inyección intravenosa en la cola, los ratones de laboratorio pueden calentarse cuidadosamente bajo lámparas de calor para vasodilatar los vasos. [62]
Un régimen común para la anestesia general del ratón doméstico es la ketamina (en una dosis de 100 mg por kg de peso corporal) más xilazina (en una dosis de 5 a 10 mg por kg), inyectada por vía intraperitoneal. [64] Tiene una duración del efecto de unos 30 minutos. [64]
Los procedimientos aprobados para la eutanasia de ratones de laboratorio incluyen gas CO2 comprimido, anestésicos barbitúricos inyectables , anestésicos inhalables , como el halotano, y métodos físicos, como la dislocación cervical y la decapitación. [65] En 2013, la Asociación Médica Veterinaria Estadounidense emitió nuevas pautas para la inducción de CO2 , indicando que un caudal de entre el 10% y el 30% del volumen/min es óptimo para la eutanasia de ratones de laboratorio. [66]
Un estudio reciente detectó un astrovirus murino en ratones de laboratorio mantenidos en más de la mitad de los institutos estadounidenses y japoneses investigados. [67] El astrovirus murino se encontró en nueve cepas de ratones, incluidas NSG , NOD-SCID, NSG-3GS, C57BL6 -Timp-3 −/− , uPA-NOG, B6J, ICR, Bash2 y BALB/C, con diversos grados de prevalencia. Se desconocía la patogenicidad del astrovirus murino.
En el Reino Unido, al igual que con todos los demás vertebrados y algunos invertebrados, cualquier procedimiento científico que pueda causar "dolor, sufrimiento, angustia o daño duradero" está regulado por el Ministerio del Interior en virtud de la Ley de Animales (Procedimientos Científicos) de 1986. Las regulaciones del Reino Unido se consideran entre las más completas y rigurosas del mundo. [68] Cada año se publican datos detallados sobre el uso de ratones de laboratorio (y otras especies) en la investigación en el Reino Unido. [69] En el Reino Unido, en 2013, hubo un total de 3.077.115 procedimientos regulados realizados en ratones en establecimientos de procedimientos científicos, autorizados en virtud de la Ley. [70]
En los EE. UU., los ratones de laboratorio no están regulados por la Ley de Bienestar Animal administrada por el USDA APHIS . Sin embargo, la Ley del Servicio de Salud Pública (PHS) administrada por los Institutos Nacionales de Salud ofrece un estándar para su cuidado y uso. El cumplimiento de la PHS es necesario para que un proyecto de investigación reciba fondos federales. La política de PHS es administrada por la Oficina de Bienestar de los Animales de Laboratorio. Muchos institutos de investigación académica buscan acreditación de forma voluntaria, a menudo a través de la Asociación para la Evaluación y Acreditación del Cuidado de Animales de Laboratorio , que mantiene los estándares de cuidado que se encuentran en la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio y la política de PHS. Sin embargo, esta acreditación no es un requisito previo para la financiación federal, a diferencia del cumplimiento real. [71]
Aunque los ratones son, con diferencia, los animales más utilizados en la investigación biomédica, estudios recientes han puesto de relieve sus limitaciones. [72] Por ejemplo, la utilidad de los roedores para realizar pruebas de sepsis , [73] [74] quemaduras , [74] inflamación , [74] apoplejía , [75] [76] ELA , [77] [ 78] [79] enfermedad de Alzheimer , [80] diabetes , [81] [82] cáncer , [83] [84] [85] [86] [87] esclerosis múltiple , [88] enfermedad de Parkinson , [88] y otras enfermedades ha sido puesta en tela de juicio por varios investigadores. En cuanto a los experimentos con ratones, algunos investigadores se han quejado de que "se han desperdiciado años y miles de millones de dólares siguiendo pistas falsas" como resultado de una preocupación por el uso de estos animales en estudios. [72]
Los ratones se diferencian de los humanos en varias propiedades inmunológicas: los ratones son más resistentes a algunas toxinas que los humanos; tienen una fracción total de neutrófilos más baja en la sangre , una capacidad enzimática de neutrófilos más baja , una menor actividad del sistema del complemento y un conjunto diferente de pentraxinas involucradas en el proceso inflamatorio ; y carecen de genes para componentes importantes del sistema inmunológico, como IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 , etc. [73] Los ratones de laboratorio criados en condiciones libres de patógenos específicos (SPF) generalmente tienen un sistema inmunológico bastante inmaduro con un déficit de células T de memoria . Estos ratones pueden tener una diversidad limitada de la microbiota , lo que afecta directamente al sistema inmunológico y al desarrollo de condiciones patológicas. Además, las infecciones virales persistentes (por ejemplo, herpesvirus ) se activan en humanos, pero no en ratones SPF con complicaciones sépticas y pueden cambiar la resistencia a las coinfecciones bacterianas . Los ratones "sucios" posiblemente sean más adecuados para imitar patologías humanas. Además, en la gran mayoría de los estudios se utilizan cepas de ratones endogámicos, mientras que la población humana es heterogénea, lo que indica la importancia de los estudios en ratones híbridos entre cepas, exogámicos y no lineales. [73]
Un artículo en The Scientist señala: "Las dificultades asociadas con el uso de modelos animales para enfermedades humanas resultan de las diferencias metabólicas, anatómicas y celulares entre los humanos y otras criaturas, pero los problemas son aún más profundos que eso", incluyendo problemas con el diseño y la ejecución de las pruebas en sí. [76] Además, el enjaulamiento de animales de laboratorio puede convertirlos en modelos irrelevantes de la salud humana porque estos animales carecen de variaciones diarias en experiencias, autonomía y desafíos que puedan superar. [89] Los entornos empobrecidos dentro de pequeñas jaulas para ratones pueden tener influencias perjudiciales en los resultados biomédicos, especialmente con respecto a los estudios de salud mental y de sistemas que dependen de estados psicológicos saludables. [90]
Por ejemplo, los investigadores han descubierto que muchos ratones en laboratorios son obesos debido al exceso de comida y al ejercicio mínimo, lo que altera su fisiología y el metabolismo de los fármacos. [91] Muchos animales de laboratorio, incluidos los ratones, sufren estrés crónico, lo que también puede afectar negativamente los resultados de la investigación y la capacidad de extrapolar con precisión los hallazgos a los humanos. [92] [93] Los investigadores también han observado que muchos estudios que involucran ratones están mal diseñados, lo que conduce a hallazgos cuestionables. [76] [78] [79]
Algunos estudios sugieren que la publicación de datos inadecuados sobre las pruebas con animales puede dar lugar a investigaciones irreproducibles, en las que se omiten detalles sobre cómo se realizan los experimentos en los artículos publicados o se producen diferencias en las pruebas que pueden introducir sesgos. Entre los ejemplos de sesgos ocultos se incluye un estudio de 2014 de la Universidad McGill que sugiere que los ratones manipulados por hombres en lugar de mujeres mostraron niveles más altos de estrés. [94] [5] [95] [96] Otro estudio de 2016 sugirió que los microbiomas intestinales de los ratones pueden tener un impacto en la investigación científica. [97]
Se prevé que el mercado mundial de ratones genéticamente modificados alcance los 1.590 millones de dólares en 2022, creciendo a una tasa del 7,5 por ciento anual. [98]
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