KI trifft Zebrafisch: die Zukunft für Wirkstofftests?

Neue Wirkstoffkandidaten müssen lange Tests in Tiermodellen durchlaufen, bevor sie an Menschen erprobt werden. Dabei müssen schon viele Stoffe in Testreihen aussortiert werden, weil sie entweder nicht die gewünschte oder sogar eine schädliche Wirkung haben. Für diese Testreihen werden viele Versuchstiere benötigt – der Einsatz von Zebrafischlarven könnte diesen Bedarf verringern.

Im Interview mit MEDICA.de spricht Dr. Jonas Baumann über die Arbeit mit dem neuen Zebrafischlarven-Modell (ZLM). Er erklärt, welche Herausforderungen es mit sich bringt und wie Künstliche Intelligenz die Arbeit unterstützen kann.

Herr Dr. Baumann, läuft der Zebrafisch der Maus in der Forschung den Rang ab?

Dr. Jonas Baumann: Das ZLM wird Nagertests nicht ersetzen können. In der präklinischen Wirkstofferforschung und -testung kann es ihren Anteil aber signifikant reduzieren. Neu entwickelte Wirkstoffe können mit dem ZLM auf toxische Nebenwirkungen, gewünschte Wirkweisen und Wirkung auf Zielpathogene geprüft werden. Auf diese Weise lassen sich vielversprechende Wirkstoffkandidaten identifizieren, bzw. weniger wirksame Kandidaten ausschließen, bevor diese im Nagertierversuch erprobt werden.

Das ZLM wird nicht als Tierversuch verstanden, solange die Larven nicht älter als 120 hpf (hours post fertilization) sind (EU Direktive 2010/63/EU). Erst im Alter von circa fünf Tagen nach Befruchtung beginnen sie mit der exogenen Futteraufnahme. Zuvor zehren sie von den im Dottersack enthaltenen Energievorräten. Somit ist das ZLM eine Tierversuchsersatzmethode im Sinne von 3R (Reduce, Replace, Refine). Sie hat ein enormes Potenzial, die Anzahl nötiger Nagetierversuche in der frühen Wirkstofferforschung in Zukunft signifikant zu reduzieren.

Inwiefern sind Wirkstofftestungen an Fischlarven auf den menschlichen Organismus skalierbar?

Baumann: Studien haben gezeigt, dass der Zebrafisch rund 70 % orthologe Gene mit dem Menschen besitzt. Bei Genen, die mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden, soll die Übereinstimmung sogar bei rund 84 % liegen. Somit ist der Zebrafisch genetisch gar nicht so weit vom Menschen entfernt, wie man zunächst denken würde.

Was ist derzeit das Problem der Medikamententestung/-zulassung allgemein und bei den Tests an den Zebrafischlarven im Speziellen?

Baumann: Das ZLM hat natürlich auch seine Grenzen. Die nur wenige Millimeter lange und einige hundert Mikrometer im Durchmesser messende Larve ist sehr klein. Alle Beobachtungen und Eingriffe müssen unter dem Mikroskop stattfinden. Hierfür bedarf es sehr viel Fingerspitzengefühl. Durch ihre geringe Größe benötigen Zebrafischlarven aber auch sehr wenig Platz. Tests können zum Beispiel wie herkömmliche In-vitro-Tests platzsparend in Mikrotiterplatten durchgeführt werden.

Aufgrund der äußeren Befruchtung der Eizelle ist die Gewinnung der Zebrafischembryos relativ einfach. Durch das durchsichtige Chorion kann der sich entwickelnde Embryo direkt beobachtet werden. Je nach Fragestellung muss dieser aber aus dem Chorion entfernt werden. Dies kann durch mechanische Zerstörung, zum Beispiel mit einer Nadel, oder durch Verdauung mit einer Protease geschehen. Beide Methoden stellen bei unsachgemäßer Durchführung ein Verletzungsrisiko für den Embryo dar.

Die Exposition findet in der Regel durch Immersion des befruchteten Eis, des Embryos oder Larve in der Testlösung statt. Die Aufnahme erfolgt primär durch Resorption über die Körperoberfläche. Die orale Aufnahme findet nur in begrenztem Umfang statt, kann in der älteren Larve aber mittels Sonde erzielt werden. Aufgrund der Komplexität bietet sich dieses Vorgehen aber nicht für die routinemäßige Testung an. Da die Larven noch keine Kiemen ausgebildet haben, ist auch der respiratorische Expositionspfad ausgeschlossen. Der zu testende Wirkstoff kann auch direkt durch Mikroinjektion zum Beispiel in den Dottersack oder die Schwanzvene verabreicht werden. Dieses Vorgehen wird hauptsächlich zur Wirksamkeitsprüfung von Antibiotika eingesetzt, bei der die Larve zuvor mit einem Zielpathogen infiziert wurde. Wegen der Komplexität ist diese Methode jedoch eher für geringe bis mittlere Durchsatzraten als für Hochdurchsatz-Screenings geeignet.

Durch die Regularien des Tierschutzes ist man bei der Testung auf die ersten fünf Lebenstage des Embryos beziehungsweise der Larve festgelegt. Dies klingt zunächst sehr kurz. Der Zebrafisch hat aber bereits nach 24 hpf ein mehr oder weniger vollständig ausgebildetes Organ- und Nervensystem entwickelt. So lassen sich in einem In-vitro-Experiment (das ZLM wird als fortgeschrittener Zellversuch gewertet) trotzdem In-vivo-Prozesse nachvollziehen.

Das kleine Zeitfenster von nur fünf Tagen lässt nur Kurzzeitversuche zu, chronische Effekte lassen sich mit dem ZLM nicht abbilden. Jedoch sind die ersten Lebenstage die sensitivsten im Leben eines Fisches. Akute Toxizitätstest stellen also immer ein worst-case Szenario dar. Konnte kein negativer Effekt eines Wirkstoffkandidaten im ZLM ermittelt werden, sind akuttoxische Effekte im weiter entwickelten Fisch sehr selten. Um das Risiko chronischer Effekte eines Wirkstoffkandidaten vollständig auszuschließen, sind jedoch nach wie vor Tierversuche unabdingbar.

Inwiefern kann KI/Machine Learning dabei eine bedeutende Rolle spielen?

Baumann: Aufgrund der geringen Größe der Larven lassen sich selbst phänotypisch ausgeprägte Effekte nur mikroskopisch beobachten. Die Beobachtung und Bewertung von Substanzeffekten via manueller Auswertung ist deshalb sehr zeitintensiv, wodurch die Anzahl der parallel durchführbaren Tests limitiert ist. Durch eine automatisierte Bonitur der Larventests mit Hilfe eines computergestützten, mikroskopischen Systems sowie der Effektbewertung durch KI und Machine Learning kann dieser Prozess praktisch ohne manuellen Einsatz ablaufen. Hierdurch können mehr Substanzen in kürzerer Zeit als potenzielle Wirkstoffkandidaten identifiziert oder ausgeschlossen werden. Durch die automatisierte Auswertung der Tests ist darüber hinaus eine Bonitur zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des bis zu 120 Stunden andauernden Experiments realisierbar, wodurch kontinuierliche Effektbeobachtungen ohne jeglichen personellen Einsatz möglich werden. Hierdurch soll eine Früherkennung potenzieller negativer Substanzeffekte im Embryo beziehungsweise in der Larve erreicht werden. Wird ein solcher Effekt durch die KI detektiert, kann der Test sofort beendet werden, wodurch die Testdauer signifikant verkürzt würde.

Des Weiteren soll eine rein objektive Effektbewertung durch die KI erreicht werden, um subjektive Eindrücke eines menschlichen Experimentators auszuschließen.

Welches Ziel verfolgen HIPS (Helmholtz Institute for Pharmaceutical Research Saarland) und das CISPA Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit im Projekt ImageTox?

Baumann: Zum Ende des Projekts soll den Forschenden am HIPS ein Tool zur Verfügung stehen, welches erlaubt, in kurzer Zeit eine Vielzahl neuer Wirkstoffkandidaten mit Hilfe eines automatisierten Hochdurchsatz Screening Verfahrens in der Larve zu prüfen, um vielversprechende Wirkstoffkandidaten frühzeitig zu identifizieren.

Hierfür entwickelt ImageTox eine neue Methodik für die Bildanalyse und insbesondere die Analyse von Zeitreihen. Hier kommen moderne Methoden der KI zum Einsatz. Die Methodik ist in großen Teilen nicht spezifisch für den konkreten Anwendungsfall. Die aktuelle Planung sieht eine Entwicklung und Evaluation der Methodik für die Larve vor. Wir sind auch daran interessiert, die Anwendbarkeit in anderen Feldern zu explorieren.