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Black rat used in an experiment

Experimentación con nuevos materiales en animales

Toda una serie de materiales que van a ser empleados en contacto con los seres humanos son testados para examinar lo que se conoce como su biocompatibilidad. Los tests de biocompatibilidad miden la manera en que el material interactúa con los sistemas biológicos para asegurar que su uso no causará daño a los humanos. Esta práctica abarca la línea entre las preocupaciones de la industria, la investigación biomédica y la investigación de biomateriales para propósitos médicos. Algunos ejemplos de nuevos biomateriales que son examinados de manera habitual son aquellos materiales usados en cirujía bypass, marcapasos, placas en operaciones de traumatología, materiales dentales, etc. También se hacen pruebas para materiales no médicos, como el plástico usado para elaborar botellas, bolsas y otros artículos usados de manera diaria, así como otros materiales usados en la industria cuyos efectos en seres humanos no se conocen o se conocen solo parcialmente.

Históricamente los materiales nuevos eran simplemente evaluados en humanos para observar si eran biocompatibles. Pero ahora se considera inaceptable esta práctica, y para que un material sea considerado biocompatible debe pasar por varias etapas. Las fases de prueba habituales son la prueba in vitro, la prueba in vivo (en ella se usan ahora animales en lugar de humanos), y la prueba de uso o clínico. Todos los niveles de prueba incluyen varios tipos de procedimientos, e implican una variedad de aspectos éticos.

Tipos de pruebas

Pruebas in vitro. Las pruebas in vitro no usan organismos vivos, sino en su lugar células, tejidos y órganos. Estas pruebas se realizan en tubos de ensayo y/o placas de Petri. Sin embargo, para conseguir las partes del cuerpo usadas en la prueba, los animales son matados o dañados para eliminar los tejidos, órganos y otras partes del cuerpo.

Pruebas in vivo. El nombre “in vivo” describe claramente que estas pruebas consisten en experimentar en animales animales, a través de aplicaciones de contacto agresivas de los materiales que están siendo examinados. Los materiales son implantados a menudo en los animales no humanos vía subcutánea (bajo la piel), intramuscular (en el músculo), intravascular (en un vaso sanguíneo) o en procedimientos óseos. Las pruebas in vivo son realizadas a menudo de manera repetida incluso después de que un material esté en el mercado para examinar cuestiones pasadas por alto en estudios previos, o para probar nuevos usos o cambios del material.

Pruebas de uso y ensayos clínicos. Este tipo de pruebas difieren de las in vivo en que, en aquellas, el material es siempre examinado bajo condiciones idénticas a aquellas del uso en el mundo real. Por esta razón, las pruebas de uso emplean animales no humanos con similitudes fisiológicas a los humanos, como perros y monos, y no a roedores. Cuando las pruebas de uso se hacen con humanos, se llaman habitualmente pruebas clínicas. En teoría, los dos tipos de procedimiento podrían ser básicamente el mismo; sin embargo, en la práctica no lo son. Los humanos son tratados con respeto, y los riesgos son reducidos. Este no es el caso con los animales no humanos, quienes son usados de la manera que sea necesaria, con mucha menos consideración por el dolor que sufren. Además, son matados de manera rutinaria a pesar del hecho de que matar a a los animales con posterioridad a la prueba no tiene nada que ver con la prueba en sí misma.

Algunos procedimientos utilizados para el testado de materiales

Los distintos procedimientos empleados para el testado de materiales en animales les causan distintos daños que incluyen su muerte así como en muchas ocasiones un sufrimiento muy considerable. Esto sucede básicamente en el caso de los estudios in vivo y de las pruebas de uso. Algunos ejemplos de estos son los siguientes.

Prueba de irritación de mucosasDetermina si un material puede generar inflamación a nivel de las mucosas o piel erosionada. Luego de varias semanas, los animales son fotografiados y asesinados para realizar los respectivos estudios histopatológicos del tejido y determinar la respuesta inflamatoria que generó el material.

Prueba de sensibilización cutánea. Estos procedimientos tienen como objeto determinar si un material puede generar inflamación al inyectarlo de forma intradérmica creando una respuesta de hipersensibilidad de la piel.

Primeramente se debe inyectar un coadyuvante de Freud (solución acuosa con plata, un aceite mineral y un agente dispersante) para potenciar la respuesta. Seguidamente se colocan parches adhesivos que contienen el material que se está examinando y se observa la respuesta generada en el tejido, las cuales pueden ser desde muy leves a muy severas, con enrojecimiento intenso e inflamación. El grado de respuesta y el porcentaje de animales que muestren una reacción frente al material son la base para estimar el grado de alergenicidad del material.

Prueba de la barrera de la dentina. Estas pruebas son similares a las pruebas cutáneas. Sin embargo, en lugar de la piel, se examina la biocompatibilidad con la pulpa dental.

Permeabilidad de la membrana celular. Otra manera de medir la citotoxicidad (esto es, la toxicidad para las células) de un material es evaluando los cambios en la permeabilidad de la membrana celular. Se utilizan colorantes vitales (tiñen la célula cuando está viva) o colorantes no vitales (tiñen la célula cuando no está viva)

Uso de materiales de barrera. En estos ensayos lo que se hace es testar un material in vitro, pero introduciendo alguna barrera, por ejemplo de polímeros de origen vegetal que bloquee en cierta medida el contacto entre el material y las células. Ello se lleva a cabo para considerar las variaciones que esto puede introducir con respecto a ensayos sin barreras. Se llevan a cabo para reproducir más fielmente lo que ocurre en organismos vivos, pues de lo contrario muchos estudios realizados in vitro sin el uso de barreras no son extrapolables a lo que sucede a nivel clínico.

Ensayos de crecimiento celular. El objetivo de estos procedimientos es determinar el número de células que crecen durante el ensayo tras la implantación del material. El material a ensayar se coloca directamente en contacto con el cultivo celular. Si el material es citotóxico el crecimiento celular se detiene y se observará un halo de inhibición alrededor del material. La densidad celular puede ser descrita de forma cualitativa, semi-cualitativa, o cuantitativa.

Biosíntesis enzimática. En estos ensayos lo que se mide es la síntesis de ADN o la síntesis proteica. Para ello se agregan precursores radioisótopos marcados a un cultivo celular. Con posterioridad se observa cuáles son incorporados al ADN o proteína, y se cuantifican estos.

Test de Ames. Este método evalúa el potencial mutagénico de un material o compuesto químico. Como el cáncer está vinculado al daño del ADN, la prueba también sirve como un ensayo rápido para estimar el potencial carcinogénico de un compuesto.

El ensayo utiliza cepas de la bacteria Salmonella typhimurium que han sido modificadas. Normalmente esta bacteria tiene la capacidad de sintetizar el aminoácido histidina; en el ensayo se utilizan bacterias con una mutación puntual en los genes necesarios para sintetizar histidina, es decir que éstas no pueden sintetizar este aminoácido a partir de los nutrientes que toman del medio.

Durante el ensayo, las bacterias intencionalmente mutadas se extienden sobre una placa de agar agar con una pequeña cantidad de histidina, que permitirá a las bacterias vivir y reproducirse solamente durante un tiempo inicial hasta que el aminoácido se agota. Permanecen en contacto con el material potencialmente mutagénico que está siendo testado durante 48 horas. Solamente las bacterias que en contacto con el material muten debido a éste, volverán a tener la capacidad de producir su propia histidina y son las únicas que sobrevivirán. El número de colonias al final se compara con el número de colonias de control que no tenían añadido el material potencialmente mutagénico. La efectividad del material potencialmente mutagénico para causar la mutación se considera de manera proporcional al número de colonias de bacterias al final de la prueba. Un gran número de colonias de bacterias indica un alto potencial mutagénico.

Prueba de Styles. Es un ensayo similar al test de Ames, pero utiliza células de mamíferos.

Modelos de prueba

Con anterioridad, el proceso para el testado de los materiales seguía una estructura piramidal precisa. El primer nivel es la prueba in vitro, que no tiene que ser necesariamente aplicable de manera clara al uso final del material.2 Luego los ensayos in vivo con animales y, por último, las pruebas clínicas. Solamente los materiales que pasaban exitosamente el primer nivel podían ser evaluados en el segundo nivel y así sucesivamente. El modelo es piramidal porque en el primer nivel se examinan todos los materiales y sustancias, pero algunso son rechazados, así que en el segundo nivel hay menos materiales y sustancias a examinar.

En este modelo, las pruebas inicials no pueden predecir siempre el comportamiento del material en el uso real. Para probar eso son necesarios los tests realizados en el último nivel (de uso / clínico).

En la actualidad se usa todavía el modelo piramidal, pero es menos estricto. Esto se debe al hecho de que las pruebas realizadas en los niveles primero y segundo (tests in vitro, y tests in vivo con animales) se consideran menos importantes de lo que antes se consideraban. Además, la investigación realizada en cada nivel se relaciona de manera más cercana ahora de lo que sucede en otros niveles. Más que haber una clara separación en niveles diferentes, el proceso por completo es visto ahora de manera holística. Las diferentes clases de pruebas son parte de un proceso continuo que se desarrolla junto con la experiencia clínica con los materiales que están siendo examinados.

Además, los esfuerzos realizados por reducir las pruebas en animales han llevado a incrementar las pruebas in vitro. El modelo piramidal estricto que descansa fuertemente en las pruebas in vivo se ha cambiado debido a los nuevos desarrollos en las pruebas in vitro, que simulan mejores condiciones en los organismos vivos, aunque estas pruebas usan habitualmente productos animales como tejidos y extractos de órganos.3 Ha habido también mejoras en el uso de los materiales de barrera apropiados para pruebas específicas, cultivos de celulas y tejidos. Los avances en la identificación de marcadores biológicos clínicos importantes, como los cambios en la transcripción del ADN 4 o la presencia de ciertos químicos para medir los efectos biológicos de un determinado material han mejorado también los estándares de las pruebas.5

Hoy en día, los tres tipos de pruebas de biocompatibilidad se realizan simultáneamente. Por ejemplo, una prueba in vitro puede ser útil para investigar una respuesta biológica especifica observada durante las pruebas clínicas o después de haber introducido el material al mercado.


Lecturas recomendadas

Animal Procedures Committee (2003) Review of cost-benefit assessment in the use of animals in researchLondon: Home Office.

Atchley, F. W. (1991) “Genes trees and the origins of inbred strain of mice”, Science, 254, pp. 554-558.

Cothran, H. (ed.) (2002) Animal experimentation: Opposing viewpoints, San Diego: Greenhaven.

DeGrazia, D. (1999) “The ethics of animal research: What are the prospects for agreement?”, Cambridge Quarterly of Healthcare Ethics, 8, pp. 23-34.

European Commission (2011) Sixth Report from the Commission to the Council and the European Parliament on the Statistics on the number of animals used for experimental and other scientific purposes in the member states of the European Union COM(2010) 511/final 2Brussels: Commission of the European Communities.

Festing M. (1979) Inbred strains in biochemical research, London: Macmillan.

Frame, J. W. (1980) “A convenient animal model for testing bone substitute materials”, Journal of Oral surgery, 38, pp. 176-180.

Hench, L. L. & Thompson, I. (2010) “Twenty-first century challenges for biomaterials”, Journal of the Royal Society Interface, 7 (Suppl. 4), pp. S379-S391.

Krug, H. F. & Wick, P. (2011) “Nanotoxicology: an interdisciplinary challenge”, Angewandte Chemie International Edition, 50, pp. 1260-1278.

LaFollette, H. & Shanks, N. (1997 [1996]) Brute science: Dilemmas of animal experimentation, New ed., New York: Routledge.

Langer, R. & Tirrell, D. A. (2004) “Designing materials for biology and medicine”, Nature, 428, pp. 487-492.

MacGregor, J. T. (2003) “The future of regulatory toxicology: impact of the biotechnology revolution”, Toxicology Science, 75, pp. 236-248.

Muschler, G. F.; Raut, V. P.; Patterson, T. E.; Wenke, J. C. & Hollinger, J. O. (2010) “The design and use of animal models for translational research in bone tissue engineering and regenerative medicine”, Tissue Engineering. Part B, Reviews, 16, pp. 123-145.

Nel, A.; Xia, T.; Mädler, L. & Li, N. (2006) “Toxic potential of materials at the nanolevel”, Science, 311, pp. 622-627.

Shanks, N.; Greek, R. & Greek, J. (2009) “Are animal models predictive for humans?”, Philosophy, Ethics, and Humanities in Medicine, 4(2), pp. 1-20 [accessed on 17 April 2013].

Tannenbaum, J. & Rowan, A. N. “Rethinking the morality of animal research”, Hastings Center Report, 15(5), pp. 32-43.


1 Los artículos originales en los que este método se trata fueron publicados hace cuatro décadas. Ver: Ames, B. N.; McCann, J. & Yamasaki, E. (1975) “Methods for detecting carcinogens and mutagens with the salmonella/mammalian-microsome mutagenicity yest”, Mutation Research, 31, pp. 347-364. Maron, D. M. & Ames, B. N. (1983) “Revised methods for the salmonella mutagenicity test”, Mutation Research, 113, 173-215.

2 Muchas tipos diferentes de tests in vitro pueden desarrollarse, en tubos de prueba, placas de Petri o aparatos similares. Por dar un ejemplo en el área de la biocompatibilidad de materiales usados en gasas, las células son colocadas en sacarosa (un material extraído habitualmente de algas) y descompuesto en otros químicos para liberar el ADN de ellos. Son entonces examinados para probar su genotoxicidad. Ver: Keong, L. C. & Halim, A. S. (2009) “In vitro models in biocompatibility assessment for biomedical-grade chitosan derivatives in wound management”, International Journal of Molecular Science, 10, pp. 1300-1313.

3 Jessen, B. A.; Mullins, J. S.; de Peyster, A. & Stevens, G. J. (2003) “Assessment of hepatocytes and liver slices as in vitro test systems to predict in vivo gene expression”, Toxilogical Sciences, 75, pp. 208-222

4  Johansson, H.; Lindstedt, M.; Albrekt, A.-S. & Borrebaeck, C. A. K. (2011) “A genomic biomarker signature can predict skin sensitizers using a cell-based in vitro alternativeto animal tests”, BMC Genomics, 12, p. 399 [accessed on 26 November 2012].

5 Orfeas L.; Tighiouart, H.; Perianayagam, M.; Kolyada, A.; Han, W. K.; Wald, R.; Bonventre, J. V. & Jaber, B.L. (2009) “Comparative analysis of urinary biomarkers for early detection of acute kidney injury following cardiopulmonary bypass”, Biomarkers, 14, pp. 423-431 [accessed on 26 September 2012].

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