Será que estamos vivendo a era do fim dos ratos de laboratório?

Desde a época dos telégrafos e das máquinas de escrever, os ratos têm sido um elemento essencial da pesquisa laboratorial. E os ratos têm sido cruciais na compreensão de alguns dos princípios básicos do câncer, como os cânceres se formam, quais células eles têm como alvo e quais compostos nos protegem do câncer. Eles também nos ajudaram a entender a dinâmica social do vício, e até usamos modelos de ratos para nos ajudar a desenvolver tratamentos para o HIV.

Na verdade, ratos e camundongos estão tão envolvidos em pesquisas de laboratório que é difícil imaginar um futuro sem eles. Mas, apesar de toda a ciência incrível construída sobre os ratos de laboratório, eles não são animais de estudo perfeitos.

E existem algumas preocupações éticas reais sobre o uso de animais vivos em nossos experimentos. Então, os cientistas estão criando alternativas de alta tecnologia ao uso dessas criaturas peludas em experimentos.

O fim da era dos ratos de laboratório está próximo? Vamos tentar entender tudo isso. Os ratos começaram como animais experimentais por acidente. Eles estavam meio que... lá. Vivendo em nossas casas, comendo nosso lixo e apenas fazendo coisas de ratos.

Assim foi até meados de 1800, quando as pessoas começaram a criar ratos seletivamente para esporte e exibição. Esses roedores domesticados então lentamente chegaram aos laboratórios.

O cientista francês J.M. Philippeaux conduziu um dos primeiros experimentos com ratos quando investigou o efeito da remoção das glândulas suprarrenais dos roedores em 1856. Mas foi somente meio século depois que os ratos de laboratório se tornaram uma coisa oficial.

Foi quando um neurologista chamado Henry H. Donaldson iniciou um programa para criar ratos de laboratório padronizados a partir de ratos albinos. Ele queria um conjunto confiável de animais para estudar o crescimento e o desenvolvimento dos ratos.

Os ratos são relativamente pequenos, bastante fáceis de cuidar, têm um curto período de gestação e crescem rapidamente, então você pode obter muitos indivíduos em um curto espaço de tempo. Tudo isso os tornava um animal ideal para estudar.

Em 1909, pesquisadores da instituição onde Henry trabalhava começaram a endogamia de ratos para criar a primeira linhagem de ratos, que é um grupo de ratos que têm praticamente o mesmo genoma.

Hoje, os pesquisadores levaram essa ideia de cruzar linhagens ao extremo. Existem agora mais de 500 linhagens diferentes de ratos, cada uma feita sob medida para se adequar a diferentes tipos de pesquisa.

Ter esses pequenos sujeitos de teste quase idênticos é importante, porque os pesquisadores querem saber se o que estão testando, seja um novo medicamento ou algumas condições de iluminação estranhas, é realmente o que levou ao resultado.

Se os sujeitos de teste variam em tamanho, idade ou raça, essas diferenças podem ser parte da variação, não o que eles estão investigando.

Embora Henry inicialmente quisesse estudar os ratos por si só, ele logo percebeu que essas criaturas com bigodes poderiam servir como substitutos para as pessoas.

Basicamente, ele poderia estudar um processo ou uma doença em ratos e aplicar essas descobertas aos humanos porque, biologicamente, somos muito semelhantes.

Ok, podemos não passar nossos dias correndo em uma toca. Mas somos muito semelhantes em um nível genético. E os pesquisadores são até capazes de fazer comparações entre as idades dos ratos e as dos humanos, então você pode estudar o que acontece com os ratos e saber como esses fatores podem afetar humanos com idades semelhantes.

Alguns ratos são até criados para imitar distúrbios humanos, como hipertensão ou esclerose múltipla, tornando-os ainda mais semelhantes a nós nessas áreas de pesquisa.

Essa capacidade de criar pequenos mini-eus para pesquisa científica é o motivo pelo qual, os ratos foram usados ​​em mais de 1,5 milhão de estudos biomédicos. E eles estiveram por trás de praticamente todos os produtos farmacêuticos que você possa imaginar desenvolvidos no século XX.

Continuamos melhorando em criar modelos de ratos cada vez mais parecidos conosco. A partir da década de 1980, pesquisadores criaram ratos humanizados. Os cientistas começaram criando ratos gravemente imunocomprometidos e, em seguida, injetaram versões imaturas de alguma célula humana, como, digamos, uma célula sanguínea.

Ao longo de semanas ou meses, essas células humanas crescem dentro do rato e você acaba com o corpo de um rato, mas com o sistema imunológico de um humano!

Eles podem fazer isso com praticamente qualquer tipo de célula que quiserem, então podem acabar com um rato com um fígado, pâncreas ou algo semelhante ao humano.

Um estudo chegou ao ponto de cultivar pele humana completa em um rato. com sistema imunológico humano compatível, para que pudessem estudar infecções bacterianas da pele.

Pode soar meio Frankenstein, mas tudo isso se resume ao objetivo de ter modelos que se assemelhem a nós. Mas, apesar de mais de um século de trabalho e alguns grandes avanços na edição genética, esses modelos ainda não são bons o suficiente.

Por exemplo, um estudo de 2014 descobriu que tratamentos para a doença de Alzheimer que pareciam promissores em modelos animais falharam em ensaios clínicos em 99,6% das vezes. E isso deixando de lado as preocupações éticas válidas de que muitas pessoas têm sobre o uso de animais vivos como cobaias.

O que é muito válido! É por isso que os pesquisadores começaram a falar sobre abandonar o uso de ratos de laboratório e animais de laboratório em geral.

Uma alternativa ao rato de laboratório moderno é usar simulações de computador, que são chamadas de in silico. Agora, simulações de computador não são uma ideia totalmente nova. Pesquisadores as usam para estudar qualquer coisa, desde como um rio flui até a distância que uma explosão nuclear pode se espalhar.

É por isso que por volta de 2007, o grande grupo dos EUA responsável por como os laboratórios funcionam — o Conselho Nacional de Pesquisa, começou a se perguntar se a modelagem computacional também poderia ser útil para testes de toxicidade. É aí que você descobre quanta substância teria que ser ingerida ou exposta para ter efeitos negativos em um corpo.

Porque, é claro, você gostaria de saber que um novo desentupidor, pesticida ou medicamento farmacêutico é seguro. Precisávamos de uma atualização para o padrão da indústria, porque os modelos animais que tínhamos nem sempre eram bons em prever o que poderia acontecer com as pessoas.

Então, os pesquisadores reuniram todas as informações sobre as coisas, como a química de como moléculas específicas agem, vias biológicas, genética e registros de quando as pessoas têm reações, e conectaram tudo em um algoritmo.

Existem agora perto de 20 modelos de aprendizado de máquina para testar toxicidade, desde aqueles que preveem os efeitos que diferentes moléculas têm no coração até aqueles que preveem a probabilidade de determinados produtos químicos sofrerem mutação nas células e levarem ao câncer. E, no geral, esses modelos são... ok.

Um estudo de 2023 analisou o quão bem essas simulações foram realizadas em comparação com os chamados exames toxicológicos Six Pack. Este é um conjunto de seis testes que os toxicologistas usam para ver as diferentes maneiras pelas quais o corpo reage a diferentes formas de um produto químico.

O estudo descobriu que os modelos conseguiram prever corretamente quando um produto químico seria tóxico
entre 67% e 78% das vezes. Portanto, não é ótimo. Quer dizer, é uma nota de aprovação, mas por pouco.

Os autores descrevem algumas maneiras técnicas para melhorar os modelos e observar mais a triagem, como um primeiro passo antes de outros estudos em tubo de ensaio. Mas um dos outros grandes obstáculos para essas técnicas in silico e, na verdade, para todas as alternativas com ratos de laboratório sobre as quais estamos falando, é a validação.

Para que laboratórios ao redor do mundo embarquem no uso de modelos de computador, os pesquisadores precisam primeiro mostrar que podem realmente fazer o que devem fazer, o mesmo ou melhor do que as técnicas atuais.

E eles precisam fazer isso repetidamente. Mesmo assim, os algoritmos têm outras desvantagens. Por exemplo, você não pode dizer como ou por que um medicamento se comporta da maneira que se comporta, já que esses sistemas são basicamente caixas-pretas.

É por isso que existem outras alternativas mais biológicas ao rato de laboratório. Veja os organoides, por exemplo. Organoides são versões em miniatura 3D, cultivadas em laboratório, de órgãos humanos que vivem em uma placa de Petri.

Eles são basicamente cópias simples de órgãos que imitam algumas das funções e estruturas de um órgão em tamanho real, que vive em uma pessoa.

A ideia dos organoides surgiu de experimentos anteriores que foram capazes de cultivar aglomerados de células humanas em placas de Petri. Mas a ideia realmente decolou quando os cientistas entenderam as células-tronco.

Existem algumas maneiras de fazer um organoide, basicamente usando uma pequena amostra do que os pesquisadores de órgãos desejam criar ou usando células-tronco. Se os pesquisadores usarem uma amostra de órgão, eles retirarão células-tronco diretamente desse órgão. Caso contrário, eles usarão células-tronco pluripotentes, células que são as células em branco que podem se tornar qualquer número de tipos diferentes de células.

Eles colocam essas células em um prato que imita o ambiente natural das células. As condições químicas e biofísicas corretas podem ser suficientes para que essas células dormentes não apenas se tornem, digamos, células do fígado, mas também se organizem em uma estrutura 3D semelhante a um fígado!

O que é incrível sobre organoides é que eles fazem muitas das coisas que os órgãos fazem: secretam muco, permitem que moléculas entrem e saiam deles ou imitam a maneira como doenças como Alzheimer ou até mesmo o vírus Zika se manifestam no corpo.

É como aquelas linhagens especiais de ratos que mencionamos, só que sem um rato vivo! E mais semelhante ao negócio humano real.

Os cientistas podem até criar modelos organoides de doenças, onde ainda não temos um modelo animal, simplesmente retirando células diretamente dos pacientes. E quando se trata de experimentação, os organoides são muito mais fáceis de cutucar, mexer ou experimentar em uma placa de vidro do que órgãos em um corpo, e também, mais gentis.

Mas existem algumas desvantagens. Às vezes, esse processo aparentemente simples de fazer organoides fica um pouco complicado, e os pesquisadores nem sempre acabam com organoides todos semelhantes.

E até agora, nenhum organoide pode fazer tudo o que um órgão completo dentro do corpo pode fazer. Em parte, isso ocorre porque esses organoides existem dentro de uma placa de vidro, sem nenhum vaso sanguíneo correndo para eles, ou um microbioma ou qualquer outra coisa corporal.

Isso pode ser aceitável se, digamos, o medicamento que você está testando tiver como alvo uma ou algumas funções específicas, mas não tão ótimo se você está tentando estudar algo complexo como o Alzheimer.

E como eles não têm vasos sanguíneos constantemente os abastecendo com células novas para se regenerarem, alguns organoides duram apenas uma semana.

Mas os organoides existem há apenas 15 anos, então ainda há muito potencial para os pesquisadores descobrirem como torná-los mais repetitivamente semelhantes e complexos.

E eles podem estar resolvendo pelo menos um desses problemas com uma tecnologia semelhante chamada órgãos em chips, que existe desde 2010.

À primeira vista, eles não se parecem em nada com um órgão. Eles são mais como um pendrive transparente com linhas coloridas passando pelo centro. O próprio chip contém dois canais de fluido, um cheio de células de órgãos humanos e o outro cheio de células de vasos sanguíneos.

Os cientistas que os desenvolveram descrevem os órgãos em chips como seres vivos, seções transversais 3D das principais partes de um órgão.

Como os organoides, órgãos em chips são projetados para replicar uma função ou característica específica de um órgão. Mas, ao contrário dos organoides, eles são mais fáceis de replicar em massa, já que os órgãos são construídos dentro de uma estrutura definida.

E, graças a esse vaso sanguíneo, os chips duram mais do que os organoides. Para executar um experimento, basta adicionar algo ao vaso sanguíneo: produtos farmacêuticos, vírus, fumaça de cigarro, e observar o resultado.

Os pesquisadores também podem construir seu próprio corpo, por assim dizer, montando um chip para um fígado, um cérebro e um coração, e assim ter um sistema multi-órgão.

Parte da ciência que está sendo feita com essas maravilhas claras da biotecnologia é incrível. Por exemplo, o FDA agora está usando chips de órgãos pulmonares para estudar a segurança e a utilidade de terapias e vacinas contra a covid-19, bem como outros medicamentos que eles testam.

E os pesquisadores enviaram chips de cérebro, ossos, intestino e outros para a Estação Espacial Internacional, para estudar os efeitos do espaço nas células humanas e ajudar a preparar viagens mais longas a Marte.

Os chips têm sido usados ​​para estudar tudo, desde toxicologia até os efeitos da radiação e doenças infecciosas. E, com base em pesquisas até agora, esses chips têm resultados mais previsíveis e replicáveis ​​do que os organoides e até superam os ratos de laboratório.

Mas, embora possam ter algumas vantagens, os órgãos em chips são ainda mais focados em uma função específica do que os organoides. Dessa forma, eles estão ainda mais distantes de um sujeito de teste completo e com sangue puro.

Portanto, se um corpo é o que você precisa, nada foi capaz de substituir a arquitetura superorganizada e ajustada de um ser vivo. O que nos leva à pergunta com a qual começamos: este é o fim dos ratos de laboratório?

No momento, provavelmente não. Mas já existem menos ratos em laboratórios, o que pode ser devido em parte a instituições como a FDA, que usam chips de órgãos e pesquisadores ao redor do mundo, que escolhem chips ou organoides para seus experimentos.

E o problema de não ter nada que possa substituir um organismo inteiro? Bem, os cientistas também estão lentamente progredindo nessa área. Pesquisadores passaram mais de uma década construindo o maior cérebro humano computadorizado do mundo.

E outros cientistas estão encontrando maneiras de realizar testes em pessoas, mantendo-se seguros e éticos, como administrar microdoses de um medicamento específico e usar técnicas de imagem de alta tecnologia para ver os efeitos.

Então, com aquela correria de pequenos pés de rato ecoando, o laboratório pode estar ficando um pouco mais silencioso.