Los defectos de nacimiento relacionados con anomalías cromosómicas surgen a menudo de la exposición a sustancias químicas en las primeras etapas de la vida de la madre. Pero determinar qué sustancias químicas son las culpables no es nada fácil, algo similar a resolver un caso de atropello y huida, décadas después de que se haya producido. Dos investigadores de la Facultad de Ciencias Biológicas de UC Davis están desarrollando un método que podría identificar sustancias químicas nocivas mucho más rápidamente con la ayuda de peces cebra que brillan en fosforescencias de color rojo y verde.

Su trabajo podría beneficiar a millones de personas del Valle Central de California que corren un alto riesgo de exposición a pesticidas porque viven o trabajan cerca de sitios de producción agrícola. Estar expuesto a pesticidas puede causar problemas de salud agudos y a largo plazo en los seres humanos, incluido pueden dañar el sistema reproductivo. Este daño ocurre a menudo porque las sustancias químicas interfieren con etapas sensibles del desarrollo fetal, durante las cuales se están formando las células que algún día producirán espermatozoides u óvulos.

Encontrar efectos generacionales

"No se verá el efecto hasta que esos niños crezcan y traten de tener sus propios hijos", dijo Sean Burgess, profesor del Departamento de Biología Molecular y Celular. En ese momento, las mujeres pueden experimentar infertilidad o abortos espontáneos repetidos; Los hijos que tienen pueden tener un mayor riesgo de sufrir síndrome de Down u otras afecciones graves causadas por tener copias adicionales de cromosomas.

Burgess está trabajando con Bruce Draper, profesor del mismo departamento, para desarrollar una técnica que podría acelerar en gran medida la detección de sustancias químicas e identificar más rápidamente aquellas con efectos reproductivos a largo plazo. La brecha entre el "atropello y huida" químico y las consecuencias reproductivas suelen ser de décadas. "Estamos reduciendo ese tiempo a básicamente semanas", dice Burguess.

Las pruebas estándar son lentas y costosas porque usan ratones, que deben ser disecados y examinados individualmente por técnicos para ver los efectos de las sustancias químicas en los tejidos reproductivos. Burgess y Draper planean evitar este engorroso proceso utilizando una cepa recientemente desarrollada de pez cebra (Danio rerio). Esta especie de pez de agua dulce, originaria del sur de Asia, es popular en los acuarios domésticos. También se utiliza frecuentemente como organismo modelo para estudiar las primeras etapas del desarrollo humano.

"El setenta por ciento de los genes del pez cebra tiene contrapartes humanas, llamadas ortólogos", dijo Draper. Y si nos fijamos en los genes implicados en la ovogénesis (la producción de óvulos femeninos), el porcentaje es aún mayor.

El pez cebra es muy adecuado para estudiar los efectos reproductivos de las sustancias químicas porque, a diferencia de los mamíferos, su sexo no está determinado por cromosomas X o Y especiales. Más bien, está determinado en parte por señales ambientales. En cautiverio, aproximadamente la mitad de los peces se convierte en hembras. Pero si las larvas de peces están expuestas a sustancias químicas que alteran la ovogénesis, entonces un porcentaje mayor de ellas se desarrollarán como machos. Esto significa que los científicos pueden detectar una sustancia química en busca de toxicidad reproductiva exponiendo unas pocas docenas de larvas de pez cebra a esta, y esperando luego varias semanas para ver si la proporción de sexos se inclina a los machos. Draper y Burgess están desarrollando una estrategia para lograrlo: utilizando peces cebra genéticamente modificados que muestran su sexo de manera prominente mediante códigos de colores.

Los peces GloNad portan dos transgenes que se expresan diferencialmente en tipos de células de los órganos reproductivos (gónadas) específicas de machos y hembras. El primer transgén permite la producción de una proteína fluorescente verde en una célula específica del testículo, las células de Sertoli (arriba), mientras que el segundo permite la producción de una proteína fluorescente roja en una célula específica del ovario, el ovocito (abajo). (Bruce Draper/UC Davis)

Estos peces, desarrollados por miembros del laboratorio de Draper, presentan tres cambios genéticos. En primer lugar, sus células de Sertoli, que se encuentran sólo en la gónada masculina, producen una proteína verde fluorescente. En segundo lugar, sus ovocitos (u óvulos inmaduros), que se encuentran sólo en la gónada femenina, producen una proteína roja fluorescente. Y finalmente, los peces fabrican menos pigmento natural, lo que hace que sus cuerpos sean más transparentes, por lo que los colores rojo o verde de sus gónadas se muestran más claramente.

Los peces cebra son más fáciles y menos costosos de cuidar que los ratones. Burgess y Draper esperan criar 80 larvas de peces en cada tanque, exponiendo a los animales de cada uno a una sustancia química seleccionada entre 10 y 20 días después de la fertilización. Normalmente habría que esperar hasta 90 días después de la fertilización para distinguir visualmente el pez cebra macho y hembra. Pero las gónadas codificadas por colores de los peces deberían permitirles hacer esto a los 40 días.

"Deberíamos poder determinar el sexo de una cohorte de 80 animales, casi simultáneamente, simplemente tomando una fotografía", dijo Draper. Ver un porcentaje inusualmente alto de machos o hembras, o ver animales intersexuales con gónadas brillando tanto en rojo como en verde, indicaría que la sustancia química es tóxica para el sistema reproductivo.

Ensayo GloNad

En abril de este año, el Programa de Proyectos Piloto del Centro de Ciencias de la Salud Ambiental de UC Davis otorgó fondos para que Burgess y Draper desarrollaran su ensayo "GloNad" para la detección de toxicidad. Los dos esperan que a finales de este año puedan comenzar a usarlo en un experimento piloto para evaluar nueve de los pesticidas utilizados con más frecuencia en California para determinar sus efectos reproductivos.

Esa prueba inicial podría allanar el camino para un uso más amplio del ensayo GloNad. Actualmente, en el estado de California se sabe que noventa pesticidas causan defectos de nacimiento o daños reproductivos. Pero estas toxicidades podrían estar potencialmente relacionadas con una gama más amplia de pesticidas y otras sustancias químicas, como los bisfenoles, que se utilizan en la fabricación de algunos plásticos.

El verdadero poder del ensayo GloNad es que podría ampliarse para probar muchas más sustancias químicas más allá de las que son posibles actualmente. Y cada una de esas sustancias químicas podría probarse en una gran cantidad de peces, lo que permitiría detectar incluso efectos reproductivos poco usuales.

"Es mucho más eficiente que cualquier otra cosa que existe en este momento", dijo Draper. "Tenemos grandes expectativas de que esto funcione".

Douglas Fox es un escritor científico independiente que vive en el Área de la Bahía.

GloNad: A Novel Assay for Reproductive Toxicants Using Zebrafish