Wissenschaft

Tierversuchsfreie Forschung

„Clean Bioprinting“ und Lebertoxizitätstest

3-D-Druck von Organmodellen
TU Berlin / Jens Kurreck

Clean Bioprinting: 3-D-Druck von Organmodellen ohne jegliche Tierkomponente, das ist das Ziel des Forschungsprojekts in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jens Kurreck.           

Moderne Forschung setzt auf tierversuchsfreie Verfahren. Ein Forscher und eine Forscherin von der TU Berlin sowie eine Wissenschaftlerin der TU Dortmund können sich über Förderpreise freuen.

Der Verein Ärzte gegen Tierversuche zeichnete ein Projekt von Dr. Johanna Berg und Prof. Dr. Jens Kurreck, Leiter des Fachgebiets Angewandte Biochemie der TU Berlin, mit dem Herbert-Stiller-Förderpreis aus. In dem Projekt wird ein Verfahren zum „Clean Bioprinting“ entwickelt. Ziel ist das Drucken von menschlichen Organmodellen vollkommen ohne die Verwendung von tierischen Produkten.

Nach einer Schätzung der European Biomedical Research Association aus dem Jahr 2017 sterben jedes Jahr allein zwischen einer und zwei Millionen Kälberföten, um rund 800.000 Liter fetales Kälberserum zu produzieren, das weltweit in der Forschung genutzt wird. „FKS gilt nach wie vor als Goldstandard für den Einsatz in Nährmedien für Gewebekulturen, aber auch für die Biotinte beim Organdruck, da es die Zellen mit allen wichtigen Hormonen, Wachstumsfaktoren, Proteinen, Aminosäuren, Mineralstoffen und Spurenelementen versorgt, die sie zum Überleben benötigen“, so Berg. Neben dem FKS enthalten gerade Biotinten auch häufig Matrigel, eine Art Stützgel, das aus Mäusen gewonnen wird, die vorher mit einem bestimmten Tumor infiziert wurden. Matrigel dient den kultivierten Zellen als Wachstumsgrundlage.

Herbert-Stiller-Förderpreis
Digital-Studio Marcus Müller

Aus der Hand von Dr. Tamara Zietek (Ärzte gegen Tierversuche) erhält Prof. Dr. Jens Kurreck den Herbert-Stiller-Förderpreis.       

Erforschung von Lungen- und Leber-Organ-Modellen

Ein Schwerpunkt der Forschung von Kurreck und seinem Team liegt auf der Etablierung und Erforschung von Lungen- und Leber-Organ-Modellen für die medizinische Forschung – mit dem Ziel, Tierversuche zu ersetzen. Dabei sind sie auf die Verwendung von Nährmedien und Biotinte angewiesen. „Daher erschien es uns nur folgerichtig, ein komplettes Verfahren zu entwickeln, das keine Substanzen benötigt, für die Tiere geschlachtet werden müssen“, so der Biochemiker. Zwar existieren bereits chemisch definierte Nährmedien ohne tierische Komponenten. Sie sind aber erstens nicht in so breitem Stil anwendbar – jede Zellkultur muss darauf einzeln adaptiert werden. Zusätzlich funktionieren diese Medien bislang auch noch nicht so gut wie das FKS. Chemisch definierte Medien enthalten eine Mischung nicht-tierischer Biopolymere in exakt dosierter Zusammensetzung. „Ein Nachteil bestehender Medien: Die Zellkulturen müssen sich speziell auf jedes Medium einstellen, und das dauert in der Regel einige Wochen. Daneben lassen sie einige Eigenschaften vermissen, die wir für das 3-D-Drucken von Organ-Modellen benötigen“, erläutert Kurreck.

Den Herbert-Stiller-Förderpreis des Vereins Ärzte gegen Tierversuche in Höhe von 20.000 Euro wollen die Wissenschaftler einsetzen, um eine Biotinte für Lungen- und Leber-Organmodelle zu entwickeln, in denen sowohl das FKS als auch das Matrigel und die Gelatine ersetzt werden. „Dazu gehen wir von bekannten Grundsubstanzen aus und experimentieren in den kommenden zwei Jahren mit dem Zusatz und der Menge verschiedenster Biopolymere, Wachstumsfaktoren, Proteine, etc.“, so Berg. „Für uns ist es nicht nur wichtig, dass die Biotinte die Zellen am Leben erhält, sie muss auch im Handling, während des Druckprozesses und später im Organ-Modell verschiedene wissenschaftliche und technische Kriterien erfüllen.“

Ein chemisch definiertes Medium hätte neben dem Tierwohl aber auch noch andere Vorteile gegenüber dem FKS: „Interessanterweise ist die exakte Zusammensetzung des FKS bis heute nicht bekannt. Es variiert stark in der Zusammensetzung – je nachdem, woher es stammt. Es ist also nicht standardisierbar. Das bedeutet, dass man aus Gründen der Vergleichbarkeit Experimente immer mit der gleichen Charge durchführen sollte, was häufig nicht möglich ist. Daneben birgt FKS immer das Risiko, dass es mit tierischen Krankheitserregern infiziert ist, sodass es niemals für therapeutische Verfahren am Menschen eingesetzt werden kann“, weiß Berg. Probleme, die bei der Verwendung von tierfreien Seren nicht auftreten.

Der zweite Gewinner des Förderpreises ist Dr. Mario Rothbauer von der TU Wien. Er erhält den Preis für sein Projektvorhaben „3D-Synovium-on-a-chip als Krankheitsmodell für rheumatoide Arthritis“, in dem er ein humanbasiertes Zellkulturmodell der menschlichen Gelenkinnenhaut einschließlich Gelenkschmiere entwickeln möchte. Das Organ-on-a-chip-Modell soll der Erforschung rheumatoider Arthritis dienen. „Ein solches humanes In-vitro-System ist von hohem Wert, da es Forschungsergebnisse liefert, die für den Menschen relevant sind und den Patienten helfen können. Zudem sind Tierversuche, die in diesem Bereich durchgeführt werden, für die Tiere mit großem Leid verbunden“, so Dr. Zietek.

Beide Forschungsprojekte werden mit einer Summe von je 20.000 Euro gefördert. Mit der Verleihung des Herbert-Stiller-Förderpreises unterstützt der Verein Ärzte gegen Tierversuche Wissenschaftler, die den Mut haben, die medizinische Forschung zu wandeln, sodass Patienten durch humanbasierte Forschungsmethoden mehr Sicherheit erlangen.

 Wiebke Albrecht
Mühle/IfADo

IfADo-Doktorandin Wiebke Albrecht im Labor        

TU Dortmund: Wissenschaftlerin erhält Tierschutzforschungspreis

Wiebke Albrecht vom Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo) erhält den Tierschutzforschungspreis 2019 des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft. Mit einem internationalen Team hat Albrecht Methoden entwickelt, um die Leistungsfähigkeit von Lebertoxizitäts-Testsystemen in der Kulturschale zu beurteilen und anschließend zu verbessern. Die optimierten Testsysteme sollen es langfristig ermöglichen, leberschädigende Wirkungen von Substanzen vorherzusagen und sichere Aufnahmemengen zu definieren – ohne dass dafür Tierversuche durchgeführt werden.

Medikamente sind die häufigste Ursache für Leberversagen

Medikamente können giftig für die Leber sein. Diese Leberschäden sind der häufigste Grund dafür, dass Studien mit Wirkstoffen abgebrochen und bereits zugelassene Medikamente vom Markt genommen oder angepasst werden müssen. Immerhin sind lebertoxische Effekte von Medikamenten die häufigste Ursache für ein akutes Leberversagen in Industrienationen. Medikamente werden in zahlreichen Tierversuchen getestet – doch das Risiko von Leberschäden für den Menschen wird nicht sicher erkannt. Testsysteme aus menschlichen Leberzellen in der Kulturschale sind eine Alternative zu etlichen Tierversuchen in der toxikologischen Substanzbewertung.

Allerdings können Forscher mit den bislang entwickelten Zellsystemen nicht in allen Fällen treffsicher bestimmen, ob eine Substanz für den Menschen lebertoxisch oder harmlos ist. Bisher kann zudem in der Kulturschale nur gemessen werden, welche Konzentrationen einer Substanz die Zellen schädigt. Wissen möchte man aber, welche Menge ein Mensch gefahrlos zu sich nehmen kann beziehungsweise ab welcher Dosis giftige Effekte drohen. Am IfADo forschen Toxikologen seit Jahren an Alternativmethoden zu Tierversuchen, wie einem sicheren Vorhersagesystem für Lebertoxizität in der Kulturschale. Zusammen mit einem internationalen Forschungsteam hat IfADo-Doktorandin Albrecht nun Methoden entwickelt, mit denen beurteilt werden kann, wie gut ein solches System die Situation im menschlichen Körper widerspiegelt.

Primäre humane Leberzellen
Albrecht/IfADo

Primäre humane Leberzellen (Hepatozyten) in der Kulturschale           

Anhaltspunkte für bessere Testsysteme

Diese Art der Qualitätskontrolle ist gefragt. Denn bei der Entwicklung von Testsystemen in der Kulturschale können viele unterschiedliche, experimentelle Daten einbezogen werden, zum Beispiel ob wichtige Funktionen wie die Produktion von Proteinen gestört sind. Bislang konnte aber nicht zuverlässig beurteilt werden, welche Daten am besten geeignet sind, um die Situation im Organismus abzubilden. Um das zu ändern, werden in der aktuellen Forschungsarbeit geeignete Maßzahlen vorgeschlagen: Mithilfe mathematischer Methoden kann berechnet werden, welche der zahlreichen Daten die beste Unterscheidung zwischen lebertoxischen und nicht toxischen Substanzen ermöglichen. Da es aber nicht nur darauf ankommt, ob eine Substanz der Leber schadet, sondern ab welcher Konzentration lebertoxische Effekte wahrscheinlich sind, wurde eine zweite Maßzahl entwickelt. Mit ihr kann beurteilt werden, wie gut die toxische Blutkonzentration schon in der Kulturschale abgeschätzt werden kann.

Die Forscher haben zunächst 28 Trainingssubstanzen, hauptsächlich Medikamente, auf im Labor kultivierten menschlichen Leberzellen untersucht. Für jede der Substanzen war bekannt, ob sie für den Menschen lebertoxisch ist oder nicht, sowie bei welcher Dosis das Risiko einer Leberschädigung besteht. „Mithilfe der Maßzahlen zeigte sich zum Beispiel, dass eine Inkubationszeit der Substanzen von 48 Stunden verlässlichere Ergebnisse erzielte als 24 Stunden oder mehrere Tage. Wir konnten auch nachweisen, dass wir diejenige Konzentration als die niedrigste, in der Zellkultur giftige Konzentration einbeziehen sollten, bei der 10 Prozent der Zellen gestorben sind. In anderen Studien liest man Werte von bis zu 50 Prozent“, erklärt Albrecht.

Mit diesem Wissen haben die Forscher das Testsystem optimiert. Alle lebertoxischen Substanzen wurden anschließend richtig erkannt. Bei zwei nicht toxischen Substanzen gab das System hingegen falschen Alarm. „Nach dieser Optimierungsphase haben wir acht weitere Stoffe getestet, alle wurden richtig eingestuft“, so Albrecht. Um herauszufinden, wie gut das System funktioniert, untersucht das Team aktuell rund weitere 200 Substanzen.

Sichere Dosis für tägliche Aufnahme

Mit den neuen Methoden konnten die Forscher zudem für einen Lebensmittelzusatzstoff bestimmen, welche Menge der Mensch täglich ohne erkennbares Gesundheitsrisiko aufnehmen kann. Ein Computerprogramm half aus der niedrigsten, in der Zellkultur toxischen Konzentration sowohl die Dosis, die oral aufgenommen beim Menschen Schaden anrichten wird, als auch die für den Menschen verträgliche Aufnahmemenge zu berechnen. Dabei berücksichtigte das Programm, wie der menschliche Organismus eine Substanz verarbeitet.

„Wir sind mit unserem Testsystem auf ähnliche Aufnahmemengen gekommen, die bisher nur auf Basis von aufwendigen Fütterungsstudien an Tieren gewonnen werden“, sagt Albrecht. „Allerdings müssten wir viele weitere Substanzen untersuchen, um zu verstehen, wie exakt unsere Methoden sind.“

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