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„Wir können die Anzahl der Tierversuche reduzieren“

Von Nanosensoren zum Zytotoxizitätstest: „Wir können die Anzahl der Tierversuche reduzieren“

22.02.2012

Foto: Jennifer Schmidt

Doktor Jennifer Schmidt; © privat

Tierversuche gehören zum Alltag in der medizinischen Forschung, stehen jedoch seit Jahrzehnten in der Kritik. Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen zwar nach alternativen Verfahren, die Komplexität der physischen Abläufe des menschlichen Körpers macht dies jedoch sehr schwierig.

Doch nichts ist unmöglich, wie die Wissenschaftler der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien (EMFT) in Regensburg mit ihren Nanosensoren zeigen, welche es ermöglichen, die Anzahl der Tierversuche zu reduzieren. Welche Technik dafür nötig ist und was die Nanosensoren schon jetzt testen können, darüber sprach MEDICA.de mit der Leiterin des Projektes Doktor Jennifer Schmidt.


MEDICA.de: Frau Doktor Schmidt, zunächst die Frage: Wie viele Tiere sterben jedes Jahr in deutschen Labors zu Forschungszwecken?

Jennifer Schmidt: Laut Bericht des Bundeslandwirtschaftsministeriums waren es 2005 ungefähr 2,41 Millionen Tiere, 2009 ist die Zahl auf 2,79 Millionen gestiegen. Dafür werden zwei Hauptgründe benannt: Zum einen wird der Forschungsstandort Deutschland ausgebaut. Zum anderen werden verstärkt transgene – also gentechnisch veränderte – Tiere eingesetzt, die für die experimentelle Forschung gezüchtet werden.

MEDICA.de: Nun haben Sie Nanosensoren entwickelt, die die Anzahl der Tierversuche reduzieren können. Was sind Nanosensoren und wie können sie Tierleben in Laboren retten?

Schmidt: Nanosensoren sind sehr kleine Partikel, an die Sensorfarbstoffe fest angebunden sind. Diese Farbstoffe haben die Eigenschaft, dass sie in Gegenwart von bestimmten Molekülen, die man zu forschungstechnischen Zwecken – etwa bei Medikamententests – detektieren möchte, ihre optischen Eigenschaften ändern. Das können wir messen und mit fluoreszierenden Farbstoffen – die wir unter einem Fluoreszenzmikroskop beobachten können – auch sichtbar machen.

Laut EU-Chemikalienverordnung müssen zum Beispiel alle Chemikalien, die in Verkehr gebracht werden, getestet und einer Risikobewertung unterzogen werden. Unsere Methode erlaubt es, zelltoxische Substanzen im Vorfeld auszuschließen, sodass sie nicht mehr an Tieren getestet werden müssen. Wir setzen lediglich lebende Zellen, die aus menschlichem oder tierischem Gewebe isoliert und in Zellkulturen gezüchtet wurden, den Risikosubstanzen aus und beobachten kontinuierlich ihr Wohlbefinden.

Wir arbeiten mit Adenosintriphosphat-sensitiven Nanopartikeln. Adenosintriphosphat, kurz ATP, stellt den Energiespeicher der Zelle dar und fungiert als Vitalitätsmarker. Wenn die Zelle sehr aktiv ist, produziert sie viel ATP. Wenn sie geschädigt oder der Stoffwechsel stark beeinträchtigt ist, kann sie kein ATP mehr aufbauen. Das können wir mit unseren Nanosensoren messen und dadurch einen Hinweis auf das Wohlbefinden einer Zelle gewinnen.

Für den Versuch statten wir zunächst die Nanopartikel mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen aus: einem grünen Indikatorfarbstoff, der sensibel auf ATP reagiert, und einem roten Referenzfarbstoff, dessen Eigenschaften sich nicht verändern. Die Partikel werden dann in kultivierte Zellen eingebracht. Unter einem Fluoreszenzmikroskop beobachten wir, wie sich die Substanzen auf das ATP-Level auswirken. Je nachdem, wie viel ATP vorhanden ist, leuchten die Partikel unterschiedlich stark: je gelber das Signal im Überlagerungsbild aus Indikator und Referenz erscheint, desto aktiver ist die Zelle. Ein rötliches Überlagerungsbild weist dagegen auf einen schlechten Zustand hin. Parallel dazu können wir Substanzen zusetzen und live mitverfolgen, wie sie sich auf die Zellviabilität auswirken.

 
 
Foto: Nanosensoren unter einem Fluoreszenzmikroskop

Nanosensoren zeigen durch das gelbe Signal im Überlagerungsbild (rechts), dass die Zellen aktiv sind. Wären sie in einem schlechten Zustand, wären sie deutlich roter. Mitte: Signal des Indikatorfarbstoffs. Links: Signal des Referenzfarbstoffs;
© Fraunhofer EMFT

Die Zellen werden unter einer bestimmten Gasatmosphäre, Temperatur und einem bestimmten Feuchtigkeitsgehalt gezüchtet, an die Körpertemperatur angepasst und mit einem Medium, das Bestandteile enthält, die auch im Blut anzutreffen sind, gefüttert. Ganz wichtig ist natürlich, dass man immer unbehandelte Kontrollzellen mitführt, weil die Prozedur unglaublich komplex ist und auch jede Zelllinie ein bisschen anders reagiert.

Man kann aber leider nicht immer voraussagen, ob und wie giftig eine Substanz ist. Zwar können in unserem Zellkulturversuch beispielsweise 80 Substanzen von 100 als giftig erkannt werden, sodass nur noch die übrigen 20 an Tieren getestet werden müssen. Aber bei diesen restlichen 20 kommen wir leider nicht ohne Tierversuche aus.

MEDICA.de: Welche Medikamente kann man zum Beispiel mit den entwickelten Nanosensoren testen?

Schmidt: Vor allem kann man mit unseren Nanosensoren Chemikalien zur Risikobewertung testen, aber auch potenziell neue Medikamente oder „Vorläufermedikamente“. Die Fragestellung, die dahinter steckt, ist: Haben diese Substanzen eine zytotoxische also zellschädigende, giftige Wirkung oder nicht? Man kann auch hinterfragen, ab welcher Konzentration werden sie zytotoxisch? Also wie viel verträgt eine Zelle, ohne beeinflusst zu werden und ab welcher Menge wird sie maßgeblich beeinträchtigt oder stirbt sie?

Es gibt auch Medikamente, mit denen man beabsichtigt, störend in den Stoffwechsel sich schnell teilender Zellen einzugreifen – das betrifft etwa Chemotherapeutika und Zytostatika. Bei diesen Medikamenten ist es erwünscht, den Stoffwechsel der Zellen so sehr zu zerstören, dass sie absterben. Es ist deshalb auch interessant zu sehen, ob man mit den Substanzen oder den Molekülen, die man dort einsetzen möchte, den Effekt erzielt oder nicht – das können wir ebenfalls testen.

MEDICA.de: Wird es, Ihrer Meinung nach, irgendwann möglich sein, auf Tierversuche ganz zu verzichten?

Schmidt: Das ist sehr schwierig, denn die physiologischen Abläufe – egal ob im menschlichen oder im tierischen Körper – sind sehr komplex. Wenn wir unsere Testreihen in Zellkulturexperimenten durchführen, ist das nur eine Nachahmung der realen Situation im Körper. Man darf nicht vergessen, dass es sich nur um ein Modellsystem handelt.

Im Fall unserer Zytotoxizitätsstudien ist eine gewisse Übertragbarkeit gegeben – wenn Substanzen also extrem giftig auf Zellen im Labor wirken, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie auch bei Tieren oder Menschen eine giftige Wirkung haben.

Ganz auf Tierversuche wird man wohl auch mit dieser Methode nicht verzichten können. Ziel unserer Forschung ist jedoch, die Anzahl der Versuche möglichst stark zu reduzieren.


Das Interview führte Michalina Chrzanowska.
MEDICA.de

 
 

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