Recombinant bovine Somatotropin (rbST): Development, production, applications, health impact, detection and prospects. Literature review. Hormona Somatotropina bovina recombinante (rBST): Desarrollo, producción, aplicaciones, impacto en la salud, detección y perspectivas. Revisión bibliográfica. Walter Andrés Páez Reyes*, José Danilo Pedraza Hernández**, Diana Carolina Reyes Gómez*** Iván Felipe Marín Rivas**** 1 Biotecnología para no Biotecnólogos _________________________________________________________________________ ABSTRACT Growth hormone or somatotropin (ST) is a protein hormone produced in acidophilic cells of the anterior pituitary (Prado et al 2003), Towards the beginning of the decade of the 80 bovine somatotropin is synthesized by DNA Technology recombinant (rBGH), this is administered to cows by injection and works by producing in the mammary gland synthesis increased milk (Bauman 1992; Bauman and Vernon 1993). Currently, Monsanto is the only company in which 1 Estudiante de Ing. Sistemas. Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected] ** Estudiante de Ing. Química. Universidad nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected] *** Estudiante de Zootecnia. Universidad nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected]. ****Estudiante de Ing. Industrial, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá [email protected] 1
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Recombinant bovine Somatotropin (rbST): Development, production, applications, health impact, detection and prospects.
Literature review.
Hormona Somatotropina bovina recombinante (rBST): Desarrollo, producción, aplicaciones, impacto en la salud, detección y perspectivas.
Revisión bibliográfica.
Walter Andrés Páez Reyes*, José Danilo Pedraza Hernández**, Diana Carolina Reyes Gómez*** Iván Felipe Marín Rivas****1
Biotecnología para no Biotecnólogos
_________________________________________________________________________
ABSTRACT
Growth hormone or somatotropin (ST) is a protein hormone produced in acidophilic cells
of the anterior pituitary (Prado et al 2003), Towards the beginning of the decade of the 80
bovine somatotropin is synthesized by DNA Technology recombinant (rBGH), this is
administered to cows by injection and works by producing in the mammary gland synthesis
increased milk (Bauman 1992; Bauman and Vernon 1993). Currently, Monsanto is the only
company in which markets recombinant bovine somatotropin, under the trade name
POSILAC ® (sterile sometribove zinc suspension) (® Registered trademark of Monsanto
Company) (Center for Veterinary Medicine, November 5, 1993). This protein hormone has
been widely studied because it produces responses in animals, both in milk production, for
which indicated an increase to 33% (Col Lanna 995) in the change of its components (fat,
protein) and somatic cell turnover, however has been a growing controversy, due to the
prohibition of the use of this hormone in the European Union in 2001 justifiable for animal
welfare, since then, the bovine somatotropin hormone submitted relevance in scientific
research, so in this article, we review literature about the production technique, the
1 Estudiante de Ing. Sistemas. Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected]** Estudiante de Ing. Química. Universidad nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected]*** Estudiante de Zootecnia. Universidad nacional de Colombia, sede Bogotá. [email protected].****Estudiante de Ing. Industrial, Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá [email protected]
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benefits of their use, their effects on human and animal health, screening forms, and
prospects.
Key words: Bovine Somatotropin, Recombinant DNA, Detection techniques, Antibodies.
RESUMEN
La hormona del crecimiento o Somatotropina (ST) es una hormona proteica producida en
las células acidófilas de la pituitaria anterior (Prado y col 2003), Hacia el inicio de la
década de los años 80 se sintetizó la Somatotropina bovina por medio de tecnología con
ADN recombinante (rBST), este es administrado a la vaca por inyección y funciona
produciendo en la glándula mamaria un aumento de la síntesis láctea (Bauman 1992;
Bauman y Vernon 1993). Actualmente, Monsanto es la única empresa del mercado que
comercializa la Somatotropina bovina recombinante, bajo el nombre comercial
POSILAC® (sterile sometribove zinc suspension)(® Registered trademark of Monsanto
Company) (Center for Veterinary Medicine, November 5, 1993 ). Esta hormona proteínica ha
sido ampliamente estudiada, debido a las respuestas que produce en los animales, tanto en
la producción de leche, para la cual se ha señalado un incremento de hasta 33% (Lanna y
Col 995), en el cambio de sus componentes (grasa, proteína) y en la renovación de las
células somáticas, sin embargo ha producido una polémica creciente, debido a la
prohibición de la utilización de esta hormona en la Unión
Europea en el 2001 justificada por el bienestar animal, desde ese entonces, la hormona
Somatotropina bovina ha presentado relevancia en las investigaciones científicas, por lo
tanto en el presente artículo, queremos revisar publicaciones acerca de la técnica de
producción, los beneficios de su utilización, sus efectos en la salud animal y humana, sus
formas de detección, y las perspectivas.
Palabras clave: Somatotropina bovina, ADN recombinante, Técnicas de detección,
Anticuerpos.
2
1. Introducción
Hace 60 años se descubrió que la STb es
un poderoso estimulador de la producción
de leche en vacas lecheras lactantes, pero
este conocimiento pudo no haber sido
adecuadamente examinado hasta el
desarrollo de la STb recombinante a
través de ingeniería genética (Bauman,
1992). (Mario A. Tarazón Herrera, enero
22 de 2009). Esta ingeniería genética se
refiere específicamente a la técnica de
manipulación de ADN llamada ADN
recombinante que consiste esencialmente
en una molécula de ADN artificial
formada de manera deliberada in vitro por
la unión de secuencias de ADN
provenientes de dos organismos de
especies diferentes que normalmente no
se encuentran juntos. Al introducirse este
ADN recombinante en un organismo, se
produce una modificación genética que
permite la adición de un nuevo ADN al
organismo, conllevando a la modificación
de rasgos existentes o la expresión de
nuevos rasgos. La producción de una
proteína no presente en un organismo
determinado y producidas a partir de
ADN recombinante, se llaman proteínas
recombinantes.
Por lo tanto el objetivo del presente
artículo es introducirse en el concepto de
la hormona Somatotropina bovina,
analizando sus generalidades,
comprendiendo su importancia en la
producción animal, así como estudiando
las técnicas para la detección de esta,
debido a su relevancia para las normas
sanitarias de algunos países.
2. Generalidades de la hormona
1.1. Somatotropina bovina
recombinante
La BST puede ser producida
sintéticamente, utilizando la tecnología
de ADN recombinado. El producto
resultante se llama Somatotropina bovina
recombinante (rBST), hormona de
crecimiento bovino recombinada (rBGH),
o la hormona de crecimiento artificial. Se
administra a la vaca por inyección y se
utiliza para aumentar la producción
de leche. Actualmente, Monsanto es la
única empresa del mercado que
comercializa la Somatotropina bovina
recombinante, bajo el nombre comercial
Posilac.
3
La hormona de crecimiento bovino
(BGH) ha sido creada de manera sintética
para incrementar la producción de leche
en las vacas. El mecanismo de acción de
bST implica una serie de cambios
orquestados en el metabolismo de los
tejidos del cuerpo para que más nutrientes
se puedan utilizar para la síntesis de la
leche. (Bauman, 1992)
La Somatotropina recombinante bovina
(rbST) es un duplicado sintético de la
BGH, que es un suplemento proteico
natural para las vacas. La BGH se
encuentra naturalmente en la leche.
1.2. Efecto de la
Somatotropina en la producción
La capacidad de la bST para aumentar la
producción de leche en vacas lecheras en
lactancia es bien conocida. Inyecciones de
bST a vacas de alta o mediana habilidad
productiva, al principio, mitad e incluso
durante lactancias avanzadas, resulta en
un incremento de 2-5 kg/d en la
producción de leche, siendo dicho
aumento bastante consistente y representa
entre 5 - 40% del aumento total en
producción de leche durante la lactancia
completa. Es evidente que existen
variaciones en la respuesta, pero son
debidas al nivel de la dosis de bST, al
número de inyecciones aplicadas, al
estado de la lactancia de la vaca,
condiciones de manejo, factores
ambientales y muchas otras razones.
(Hernández, 2013)
En general, la ST es un controlador
homeorretico clave que regula la partición
de nutrientes, y desempeña un papel clave
en el rendimiento de los animales y el
bienestar a través de una gama de
situaciones fisiológicas. (Bauman, 1992)
El aumento en la producción de leche se
observa entre 1-2 días después de haber
comenzado las inyecciones de bST y
continúa durante todo el período hasta
que las inyecciones sean suspendidas. Se
han reportado incrementos entre el 8-
40%, pero en uso comercial el actual
incremento esperado es del 15-25% bajo
buenas condiciones ambientales y de
manejo; sin embargo esto puede ser
grandemente afectado por diferencias
entre las vacas, manejo y ambiente.
(Gavidia, 2002)
4
1.3. Controversia por la
utilización de la hormona
La percepción de los consumidores en la
actualidad ha cambiado radicalmente, los
posibles efectos desconocidos de algunos
de los recientes avances de la
biotecnología han provocado una cierta
reacción de rechazo ante los mismos
(Álvarez, 2002). En concreto, se puede
citar el caso de la hormona recombinante
bovina, que por otro lado abona a la
consideración moderna de las vacas como
simples medios de producción de
ganancias, tanto para los ganaderos
capitalistas como para las compañías
procesadoras. (Otero, 2012)
A inicios de la década de 80,
movimientos de consumidores y
ambientalistas empezaron a presionar al
gobierno de Estados Unidos y a la
Administración de Alimentos y
Medicamentos (FDA) para prohibir el uso
de la rbST en la producción lechera.
Consecuentemente, han surgido una serie
de investigaciones científicas, estudios
sociales y económicos que corroboran las
preocupaciones de los consumidores,
ambientalistas y ganaderos. Estos sectores
temen los efectos que la rbST pueda tener
sobre los seres humanos, vacas y
pequeños agricultores. Otros temen que la
venta de rbST afectará el comercio local e
internacional de productos lácteos, pues
no cuenta con la aceptación de los
consumidores.
Sin embargo, la FDA concluyó en 1985
que los productos cárnicos y lácteos
procedentes de ganado alimentado con
rbST eran seguros para el consumo
humano.
Cuatro compañías transnacionales apoyan
la venta de esta hormona sintética. Estas
son Monsanto, Ely Lilly Upjohn y
American Cyanamid. En noviembre de
1993 la FDA aprobó el producto rbST de
Monsanto, Posilac, para que sea usado en
la producción de leche vacuna.
Hasta 1994, la rbST no fue incluida en la
lista de productos lácteos hasta febrero de
1994, luego de una moratoria de 90 días
expedida por el presidente Clinton.
Todavía existe desconfianza frente a las
guías de etiquetado de los productos que
contienen rbST. Los consumidores
quieren saber qué productos están
contaminados con rbST.
Por otro lado, a nivel local las fincas
ganaderas estadounidenses pequeñas no
5
pueden competir con las enormes
haciendas lecheras si es que optan por no
usar esta hormona sintética.
A pesar de que existe una sobreoferta de
producción lechera en EEUU., se decide
introducir este producto, que a más de
entrañar riesgos a la salud humana y del
ganado, agrava el problema de sobre
producción.
A nivel internacional también hay
controversia por la comercialización y
producción de rbST. En Europa hubo una
prohibición en las importaciones de carne
contaminada con la hormona del
crecimiento desde 1989. Esto sucedió
simultáneamente con un incidente
relacionado con carne contaminada con la
hormona esteroide dietil-stilbrestrol
(DES) y la enfermedad de las vacas locas.
Efectos en la salud animal y humana.
Actualmente la utilización de esta
hormona está prohibida en los principales
países productores de leche, como son la
UE, Canadá, Australia y Nueva Zelanda,
pero se encuentra autorizada en 24 países
como son Argelia, Brasil, Bulgaria,
Colombia, Costa Rica, República Checa,
Honduras, Hungría, Jamaica, Kenia,
Corea, Estados Unidos, Malasia, México,
Namibia, Pakistán, Perú, Rumania, Rusia,
Eslovaquia, Sudáfrica, Turquía, Emiratos
Árabes, Ucrania y Zimbabwe. (Perú
lactea, 2006)
2. Efectos en la salud animal y
humana
La producción elevada de rbST puede
causar mastitis o infecciones a las ubres
de las vacas y a su vez, puede producir
leche con pus. Varios grupos de
consumidores además se han preocupado
por complicaciones médicas inesperadas,
trazas de antibióticos en la leche y en la
carne y efectos por el aumento del factor
de crecimiento (IGF-1), que es semejante
a la insulina.
Otro temor es el uso de medicamentos
basados en la penicilina (bactum-lactam),
que es el antibiótico más comúnmente
para tratar la mastitis.
Los consumidores tienen temor de los
potenciales efectos carcinógenos de
concentraciones más altas de IGF-1 en la
leche que lo normal. La IGF-1 estimula el
crecimiento de las células intestinales
aumentando así el riesgo de crecimiento
intestinal anormal.
6
La BGH como también otras hormonas
biotecnológicas ha sido llamada como el
crack para las vacas. Jeremy Rifkin,
presidente de la Fundación sobre
Tendencias Económicas (FET), ha
conducido una campaña por varios años
contra el uso de la rbST en los productos
lácteos. La Campaña Alimentos Puros
también boicoteó a las principales
compañías lácteas y cárnicas que
apoyaban los productos rbST. El grupo
tiraba la leche en todo Estados Unidos
para simbolizar su oposición a esta
sustancia. Numerosos supermercados,
incluyendo Krogers, se rehusaron a
comprar productos lácteos tratados con
rbST debido a la oposición firme de los
consumidores. Los grupos también
protestaron cuando descubrieron que tres
empleados de la FDA tenían relación con
Monsanto, justo en el momento del
desarrollo de Posilac.
3. Tecnologías de detección de la
hormona Somatotropina bovina
recombinante
La administración de la Somatotropina
bovina recombinante para aumentar la
producción de leche en las vacas es
permitida en muchos países, como
Estados Unidos, Colombia y México, sin
embargo en la Unión Europea es
prohibida su administración; Con motivo
de controlar las cantidades inyectadas en
los bovinos, se han realizado
investigaciones con varios métodos de
detección de la hormona recombinante
bovina, a pesar de que el uso de esta
hormona se ha regulado durante 15 años,
la detección y cuantificación esta sigue
siendo un problema, debido a la falta de
herramientas de análisis con el fin de
cumplir con la regulación. De hecho,
actualmente no hay ningún método
disponible para detectar específicamente
STbr en la leche o los productos lácteos
(Le Breton et al, 2010), por lo tanto
estudiaremos las biotecnologías expuestas
en los estudios consultados con mayor
precisión:
4.1 Cromatografía líquida–
espectrometría de masas (LC/MS):
Es una técnica química que combina las
capacidades de separación física de
cromatografía líquida (o HPLC) con las
capacidades de análisis de masas de
espectrometría de masas.En el estudio
llamado “Detección de la hormona bovina
7
recombinante en la leche y los efectos de
los procesos industriales y su estabilidad”
realizado en Francia, esta técnica es
utilizada para detectar y cuantificar la
concentración de esta hormona en
diferentes tipos de productos lácteos
(Leche cruda, leche condensada y leche
en polvo) así como también estudiar la
estabilidad de la misma a diversos
procesos industriales, el protocolo de
preparación se basa en una etapa de
extracción en fase sólida, seguida de
precipitación con metanol frío y digestión
enzimática, el análisis se basó en el
péptido N-terminal de tripsina (específico
para la forma recombinante de la
hormona) y la detección se realizó por
MS/MS-LC (+); Los resultados afirmaron
que es un método de excelente
especificidad, sensibilidad y precisión. En
cuanto al otro objetivo de determinar el
comportamiento de la hormona con la
transformación de los productos lácteos,
los resultados mostraron que en el caso de
procesos que no implican un aumento de
temperatura, tales como pérdida de grasa
y congelación, la recuperación de la
hormona es buena con valores de hasta
90%. Por el contrario, en procesos tales
como calentamiento, pasteurización o
esterilización inducen una pérdida
significativa de la hormona.
4.2 Inmunoensayo de citometría de
flujo (FCIA):
Esta técnica es utilizada en el artículo
llamado “Monitoreo de leche para
anticuerpos en contra de la Hormona
Somatotropina recombinante bovina
usando un inmunoensayo basado en
biomarcadores con micro esferas”, se
desarrolló para diferenciar entre la leche
de animales tratados con STBr y animales
no tratados; Se definieron ventajas tales
como que es un muestreo no invasivo,
para el análisis de leche de tanque en una
finca, sólo se necesitaría una pequeña
muestra de leche para encontrar la
hormona STbr, y el ahorro de tiempo en
el pre tratamiento de la leche o el suero,
en cuanto a la confiabilidad, es un
muestreo aceptable teniendo como
resultado que un 67% de los animales
tratados con STbr respondió
positivamente con la producción de
anticuerpos, mientras que el 94% de los
animales no tratados no lo hizo, en cuanto
al segundo objetivo, la conclusión fue que
la pasteurización no obstruye
completamente la detección de este
8
biomarcador, por lo que incluso la leche
procesada puede ser analizada.
4.3 Múltiples Biomarcadores de
proteínas:
Con el mismo objetivo de los otros dos
métodos, se buscan Biomarcadores in
vivo como los utilizados para detectar el
doping con hormona de crecimiento en
atletas, para descubrir el abuso de la
Somatotropina en vacas; En el artículo
“Evaluación de múltiples biomarcadores
de proteínas para el abuso de la
Somatotropina recombinante bovina
(rbST) en el ganado” se desarrolla la
medición simultánea de cuatro
biomarcadores candidatos (la lista de
biomarcadores completa se encuentra en
la Tabla 1) para alcanzar el objetivo: el
factor de crecimiento insulinico 1 (IGF-
1), la proteína de unión 2 (IGFBP2), que
se seleccionaron por su rápida respuesta y
la osteocalcina y los anticuerpos
producidos endógenamente contra rbST,
elegidos por mostrar una respuesta tardía,
pero de larga duración; para evaluar la
respuesta de estos 4 biomarcadores, se
trabajó con un FCIA o Inmunoensayo de
citometría de flujo, (el proceso completo
del experimento se encuentra ilustrado en
la figura 1), se evaluaron las respuestas
de cada uno de ellos, resultando en baja
confiabilidad y gran cantidad de falsos
positivos, por lo tanto se experimentó
combinando biomarcadores, primero en
grupos de tres y luego en grupos de dos,
Como resultado se obtuvo que la
combinación AO: Anticuerpos contra
rbST y Osteocalcina demostró ser muy
fiable y predijo correctamente el 95% de
las muestras tratadas a partir de la
segunda inyección de STbr hasta el final
del período de tratamiento, e incluso a
partir de entonces, por lo tanto esta
combinación fue recomendada a la Unión
Europea, para incluirla en sus revisiones
veterinarias y así poder detectar la
hormona, así como también el abuso en
países que si permiten su utilización.
4. Conclusiones
En Colombia al igual que en el resto del
mundo en los últimos años se ha generado
controversia sobre el uso de la hormona
Somatotropina recombinante bovina, pero
ya que la regulación de los fármacos en
el país la dicta el Codex alimentarius, y
este no establece límites de residuos
máximos para este anabólico hormonal,
no hay reglamentación para sustancias de
9
este tipo, por lo tanto se necesita primero
más investigación regional de los efectos
de residuos de estas sustancias y segundo
implementar legislación en
organizaciones como el ICA o como el
INVIMA, para controlar abusos.
Actualmente los métodos para detectar la
hormona Somatotropina bovina
recombinante (rbST) son tecnificados y
relativamente sencillos, pues han buscado
ser similares con pruebas antidoping en
atletas, además que las técnicas
específicas ya están definidas gracias a
estudios científicos como los
mencionados en esta revisión; La gran
desventaja es el difícil acceso a ellas en
países menos adelantados.
10
5. Tablas y Figuras
Figura 1. Flujo de trabajo para la preparación del suero, el pre-tratamiento genérico del
suero y la FCIA de los biomarcadores candidatos. (Ludwig et al. 2012)
11
Tabla 1. Biomarcadores candidatos para el abuso de la Somatotropina y sus respuestas
esperadas para un tratamiento con ST en humanos y vacas. (Ludwig et al. 2012)
12
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