Mai 2019 – The Science Decanter

Aujourd’hui nous allons encore une fois tenter de mieux comprendre la science en général, cette fois en étudiant les organismes modèle. Un organisme modèle est un organisme vivant qu’on utilise dans nos études. Ce sujet est connu pour être controversé, donc j’espère qu’avec cet article je peux montrer à quel point les études sur organisme vivant, aussi appelé études in vivo, sont essentielles, et à quel point elles ont fait avancer la science. La semaine prochaine, nous verrons les modèles qui n’utilisent pas les animaux, appelées les études in vitro.

Avant de commencer, on a besoin de répondre à une question: pourquoi utilise-t-on encore des animaux de nos jours? La réponse est assez simple, c’est qu’on a pas encore vraiment le choix. Il est vrai que la science a découvert énormément de nouveaux modèles, comme on le verra la semaine prochaine, mais aucun de ces nouveaux modèles ne peut donner tout ce qu’un animal peut. Un exemple est l’étude de médicament. Disons qu’un labo a découvert un médicament potentiel pour les maladies cardiaques. Après des années d’études sans animaux, le labo confirme que le médicament fonctionne in vitro. Mais on ne peut pas conclure qu’il marche aussi in vivo. Et si ce médicament augmentait les risques du cancer? Puisque la plupart des modèles in vitro ont une durée de vie assez courte, on ne peut pas le savoir tant qu’on n’a pas testé le médicament in vivo. Par contre, il est interdit d’injecter des médicaments dans les animaux si aucune étude in vitro n’a été faite avant. Nous verrons plus tard le code éthique pour les études animales, mais une des notions fondamentales est le confort de l’animal. L’animal ne peut pas souffrir inutilement, donc injecter un médicament sans savoir vraiment ce qu’il fait est non seulement illégale, mais punissable. Nous utilisons aussi les animaux pour étudier les maladies. Nous n’avons pas encore de bons modèles in vitro qui nous permettent d’étudier les maladies. Mais grâce à ses animaux, nous avons pu découvrir des centaines de médicaments et sauver des vies. Pour mieux comprendre l’utilisation animale, je vais donner quelques exemples de modèles in vivo et comment on les utilise [source / source / source / source].

Les levures et les mouches: les pionniers de la génétique

On commence par un modèle assez peu connu: la levure, principalement celle nommée Saccaromyces cervisiae. Cette espèce nous a permis de comprendre comment les gènes et la génétique dans son ensemble fonctionnent. Comme c’est un petit organisme, son génome (c’est-à-dire l’intégralité de ses gène) a été compris très vite. Du coup, on a pu observé comment les gènes interagissent entre eux, et la conséquence sur la transcription et la traduction. De plus, les levures se reproduisent très vite, ce qui nous permet d’étudier les conséquences de la génétique sur plusieurs générations. Pour les mêmes raisons, on utilise également la mouche, particulièrement la drosophile nommée Drosophila melanogaster. Les mouches ont les mêmes avantages que la levure, à savoir la rapidité de reproduction, leur léger coût, et la compréhension de leur génome, mais on y ajoute un bonus: les mouches ont une anatomie distincte. Alors que les levures ne sont que des blobs de cellules, les différentes parties anatomiques d’une mouche sont très facile à reconnaître. Cela nous permet de comprendre la relation entre la génétique et le développement, par exemple connaître quel gène est responsable de la production des jambes ou quel gène change la couleur des yeux. Malheureusement, ces deux modèles ont également leurs désavantages, le principal étant que leur génome est très différent du nôtre. Bien que quelques gènes sont identiques entre humains et levure ou mouche, il est difficile de relier les observations faites dans ces organismes aux humains. De plus, ces organismes ont peu de comportements distincts, ce qui nous empêche d’étudier les interactions entre les gènes et les comportements [source / source / source].

Les grenouilles aident à mieux comprendre les protéines et les cellules

Il existe une espèce de grenouille qui possède des outils essentiels à l’étude des cellules. La Xenopus laevis est une grenouille africaine qui produit des oeufs, ou oocytes, très particuliers. En effet, une grenouille produit un très grand nombre d’oeufs, et dans ceux-ci, chaque cellule a un rôle pré-determiné. Cela veut dire que nous savons exactement ce que chaque cellule va faire pour devenir un têtard. Cette particularité est essentielle pour étudier le développement. Par exemple, si on sait qu’une cellule produit des neurones, on peut savoir ce qu’il se passe si on la déplace légèrement, et à quoi le têtard va ressembler. De plus, les oocytes sont très résistants: il résiste aux injections et aux manipulations, ce qui le rend facilement modifiable. Par exemple, on peut y injecter un gène et voir son rôle sur le comportement de la cellule. Enfin, les oocytes peut être cultivés pour devenir des modèles in vitro. La plus grande utilisation des oocytes est également dans l’étude des protéines. On peut injecter plusieurs protéines et voir comment elles interagissent entre elles pour mieux les comprendre [source / source].

Les mammifères nous permettent de comprendre les maladies et les comportements complexes

Les mammifères font partie des organismes modèles les plus utilisés, et avec raison. Ils ont des comportements complexes, ainsi que des pensées complexes qui se comparent à celles des humains. Il y a beaucoup de mammifères qui sont utilisés, mais les plus communs sont les souris, les rats et les primates. Simplement les observer sans manipulation nous permet de comprendre les comportements sociaux complexes et les comparer aux humains. Mais on peut également étudier les changements de comportements et de physiologie en cas de maladie. C’est par leur similarité avec les humains qu’ils deviennent des modèles importants. Les rats et les souris sont similaires, mais leurs petites différences peuvent influencer nos recherches: les rats sont plus gros, ce qui les rends plus facile à manipuler. De plus, ils sont génétiquement plus proches des humains que les souris. Mais ils ont un gros désavantage: il est difficile de les manipuler génétiquement. À l’inverse, les souris sont très facile à manipuler. Cela nous a permit d’avoir des modèles de souris pour plusieurs maladies, ce qui nous permet de mieux comprendre la maladie dans un contexte vivant. Les primates quant à eux sont intéressant pour étudier les comportements de groupe. Ils sont également les modèles les plus proches de nous, et peuvent nous donner des informations essentielles sur la cognition, la mémoire, et les comportements plus complexes. Mais c’est extrêmement difficile de travailler avec les primates, et il est presque impossible de les manipuler génétiquement, bien que très récemment un groupe en Chine a réussi à modifier des singes [source / source / source / source].

Le code éthique pour la protection des animaux: les 3R

Au Canada, travailler avec des animaux est non seulement difficile mais aussi extrêmement régulé. Le Conseil Canadien de Protection des Animaux (CCPA) a établi plusieurs règles à suivre quand des labos utilisent des animaux, et les fondamentales sont appelées les 3R. D’abord, la règle du Remplacement nous force à prouver que nous avons besoin des animaux dans notre étude. Si un modèle in vitro est capable de montrer ce que nous voulons prouver, nous n’aurons pas accès à un animal pour notre étude. Ensuite, la règle de la Réduction force l’optimisation de l’utilisation des animaux. Chaque labo doit déterminer combien d’animaux il aura besoin par an. Ce nombre doit être le plus petit possible, et ne doit pas être dépassé. Enfin, la règle du Raffinement renforce l’idée du confort de l’animal avant tout. Aucun animal ne doit souffrir ou être stressé inutilement. Toute cause de stress ou de douleur doit être prouvée comme étant importante pour l’étude, autrement elle est interdite. De plus, le confort de l’animal doit être assuré quand il n’est pas utilisé dans l’étude. Par exemple les souris sont mises en groupe et pas seule pour empêcher le stress (à moins que l’étude demande à ce que les souris soient séparées). De la même manière, les primates ont des temps de jeu, d’exercice physique, et d’activités sociales tous les jours. Si vous êtes intéressés le site du CCPA expliquent en plus grand détail ces règles, ainsi que toutes les autres régulations obligatoires [source / source / source / source].

J’espère que cet article montre à quel point les organismes modèles sont importants pour la science. Je comprends que ce sujet met mal à l’aise, il est important de comprendre que non seulement nous traitons les animaux le mieux qu’on peut, mais aussi que nous n’avons pas vraiment le choix d’utiliser ces animaux pour l’instant. Les organismes modèles restent les meilleurs modèles que nous ayons pour aider la société.

Our article today will again aim to understand how we do science. This time, we will study what is named model organisms. These are simply living organisms we use to achieve our studies. Now I know this topic is highly controversial. Therefore, I hope that this article helps to show how essential studies in living organisms, also called in vivo studies, and how much they’ve contributed to overall science. Next week, we will study models that does not involve animal, or in vitro studies, and their differences.

The first question to answer is why are we doing in vivo studies? The simple answer is because we still don’t have any other choice. While science has advanced tremendously, and as we will see next week we have a lot of choice when it comes to study model, none will provide what an animal can. The most obvious reason is drug testing. Let’s say a lab has found a potential drug to treat heart disease. After years of studies without any animal, the lab can confidently say that it works in vitro. However, that does not mean that it will in vivo. Most in vitro models do not have a very long lifespan. What if this drug increases the chances of cancer? The best way of knowing this is testing it on an animal, and see potential side effects. Now, it is illegal to try any medication on animal if no previous intensive studies have been made. We will see later the ethics of animal studies, but one of the staples is animal comfort, thus injecting drugs with no idea of what they may do is not only illegal but also punishable by law. In conclusion, we use animals in this setting to make sure that the drug is safe in humans. But we also use animals to study diseases. None of our in vitro models will be as accurate as in vivo model of diseases. Thanks to these animal, we found countless medications and saved many lives in the process. Now we will go through examples of in vivo models and their uses throughout science [source / source / source / source].

Yeasts and Fruit flies: staples of genetic studies

We start with rather unusual yet essential model organisms: the yeast, specifically the one called Saccharomyces cervisiae. This species was essential to understand how genes and genetic overall works. As a small organisms, its genome (meaning the entirety of their genes) was mapped and understood very quickly. This in turn helped us understand how genes interact with each other, and how their transcription and translation works. Furthermore, yeasts reproduce extremely fast, which allows us to study genetics and development over multiple generations faster than any other organisms. The same can be said fruit flies, specifically Drosophila melanogaster. Fruit flies have the same advantages as yeasts, being fast breeder, cheap, and easy to genetically map, with the added bonus of being anatomically diverse. While the yeast only looks like a blob of cells, flies have distinct features. This is essential because they allow us to understand the relationship between genetic and development. For instance, we can know which gene allows the production of legs, and which one causes eye color. However, both of these organisms also have disadvantages. The main one being that they are genetically quite different from humans. Although we found genes in yeast and flies that were similar or identical in humans, many discoveries are hard to relate to humans. Furthermore, these organisms lack quantifiable behaviours, making it hard for us to link genetics and behaviours [source / source / source].

Frogs: understanding proteins and cells.

Still unusual, a specific type of frog offers unique tools to study the behaviours of cells and proteins. The Xenopus laevis is an African frog that has very interesting eggs, or oocytes. Indeed, one frog makes a huge amount of eggs, with an interesting particularity: each cell in it has a pre-determined role. It means that we know exactly what each cell will do to become a tadpole. This is extremely interesting to study development and cell behaviour. We can know, for instance, how the morphology of a tadpole will change if we slightly move a cell in the oocyte. The usefulness of these oocytes is enhanced by the sturdiness of these cells. Xenopus oocytes can withstand a lot, from injection to rough manipulation, and still yield a viable tadpole. It allows us to inject genes or protein and see what they do to the cell behaviour or the development. Lastly, eggs and be cultured and used for in vitro studies later. But what’s interesting with oocytes is that they allow us to inject several proteins and see how they interact with each other. This allows us to better understand protein behaviour as well [source / source].

Mammals: understanding diseases and complex behaviours

Mammals are amongst the most used animal models in science, and for a good reason. They have complex behaviours and thinking processes, easily comparable to humans. We use many different mammals, but the most common ones are mice, rats, and primates. Studying them as is is an invaluable tool to understand behaviour and relate it to humans. But more interestingly, we can study behaviours and physiology in context of diseases. While similar, there are big differences between rats and mice which will influence your research. Rats are bigger, easier to manipulate, and closer to humans in terms of genetics and behaviours. But they have a big disadvantage: it is hard to genetically manipulate them. Mice on the other hands are very easily manipulated genetically. This allows us to have mice models for many diseases, and we can study the disease and see its effect on our cells. Primates are great to study group behaviours. As they are closest to us, they can tell a lot on how cognition, memory, and complex behaviours work. However it is extremely hard to work with primate, and it’s almost impossible to genetically modify them, although very recently it was done [source / source / source / source].

The ethics of animal care: the 3Rs

Working with animals in Canada is not only difficult but also very regulated, and rightfully so. The Canadian Council on Animal Care (CCAC) set up many rules to follow when scientists use animals, and the basis is known as the 3Rs. First, Replacement forces us to prove why we need animal. Animal studies are last resort, and unless you prove that no in vitro model can do what you want, you will be denied animals. Second, Reduction forces us to optimize animal use. You have to determine how many animals you need per year, and not only does it have to be the smallest number possible, to have more animals than requested is very hard. Lastly, Refinement forces us to place animal comfort above all. No animal should suffer or be stressed for useless reason. Any amount of pain or stress has to be proven useful for the experiment, and animal comfort is ensured while the animal is not used. For example, mice are not kept separately but rather in group (unless the experiment asks for single housing). Similarly, primates have mandatory physical, social, and play time every day. For any more specifics on animal care, the CCAC website is very thorough [source / source / source / source].

In conclusion, I hope that I managed to show how important animal models are for science. I understand how uncomfortable the topic is, but it is important for the public to understand that not only we are treating animals the best we can, but that we have no other choice, as right now they constitute the best model we have to help human society.

The Science Decanter

Mois : Mai 2019

Comprendre la science: les organismes modèle