Wirkung von Chemikalien auf Nervenzellen im Reagenzglas testen
Die Wirkung chemischer Substanzen auf das zentrale Nervensystem wird heute entweder gar nicht oder in einem aufwändigen Tierversuch mit schwangeren Ratten getestet. Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg wollen jetzt einen Schnelltest im Reagenzglas entwickeln.
Alternative zu Tierversuchen: Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg wollen jetzt einen Schnelltest im Reagenzglas auf der Basis menschlicher Stammzellen entwickeln.
Foto: Helmholtz-Gesellschaft
Tierversuche sind ethisch bedenklich aber notwendig, um die Giftigkeit von chemischen Substanzen einordnen zu können. Soweit die Standard-Lehrmeinung. Eine Arbeitsgruppe vom Lehrstuhl für Medizinische Biotechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zeigt jetzt einen völlig anderen Weg auf: Einen Schnelltest im Reagenzglas. Das Verfahren ist nicht nur schneller, es kostet auch weniger pro Test, als die bisherigen aufwändigen Prüfungen im Tierversuch.
Menschliche Stammzellen als Testbasis
Menschliche Stammzellen sind die Grundlage des neuen Testverfahrens. Die Forscher lassen diese menschlichen Stammzellen zu Zellen des Zentralen Nervensystems heranreifen und setzen sie sodann unter kontrollierten Bedingungen den zu testenden giftigen Substanzen aus. Es ist eine Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden, die dann die Giftwirkung auf verschiedenen Ebenen widerspiegeln soll. Zunächst geht es darum, die Struktur der neu gezüchteten Nervenzellen zu untersuchen. Denn diese ausgereiften Zellen des Zentralen Nervensystems bilden untereinander ein weit verzweigtes Netzwerk.
Und dieses Netzwerk bestimmt die funktionalen Eigenschaften des Zentralen Nervensystems und nimmt somit direkt Einfluss auf unser Verhalten. Deshalb kann diese Analyse möglicherweise als Indikator für Verhaltensstörungen wie der Aufmerksamkeitsdefizit- und Hyperaktivitätsstörung (ADHS) dienen. Genau darum geht es den Forschern aus Erlangen und Nürnberg. Lern- und Entwicklungsstörungen wie ADHS oder auch Autismus treten seit mehreren Jahren immer häufiger auf. Die genaue Ursache dafür ist noch nicht bewiesen. Es gibt aber Hinweise, dass Umweltgifte wie Schwermetalle und Pestizide für die Krankheiten verantwortlich sein könnten. Genauso gut kann es aber auch eine der anderen mehr als 70 Millionen chemischen Substanzen sein, die die größte Datenbank für chemische Stoffe, das CAS Registry, verzeichnet.
70 Millionen chemische Substanzen im Einsatz
Viele dieser mehr als 70 Millionen chemischer Substanzen sind in alltäglichen Produkten wie Verpackungen, Elektrogeräten, Reinigern oder Konservierungsmittel für Lebensmittel enthalten. Geprüft auf ihre schädigende Wirkung auf das zentrale Nervensystem wurde von diesen 70 Millionen Stoffen nur ein Bruchteil. Gesetzlich sind solche Prüfungen im Übrigen nicht vorgesehen. Gesetzlich vorgeschrieben sind Testungen nur auf Hautunverträglichkeit, also Hautausschläge oder Augenreize. Das zentrale Nervensystem ist da bisher außen vor.
Getestet wird heute im Tiermodell, mit allen Nachteilen, die dieses Testverfahren mit sich bringt. Zum einen sind Tierversuche teuer. Zum anderen ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Tierversuch auf den Menschen je nach dem verwendeten Tiermodell äußerst problematisch und kann zu dramatischen Fehleinschätzungen führen. Prominentes Beispiel für ein solches Fehlurteil ist das Medikament Contergan. Es erwies sich im Tierversuch als unbedenklich, führte dann beim Menschen zu schwersten Missbildungen.
Schwangere Ratten als Tiermodell
Ein derzeit verwendeter Test, um die Wirkung chemischer Substanzen auf das reifende zentrale Nervensystem zu prüfen, ist das Developmental Neurotoxicity Testing (DNT) genannte Testverfahren. Beim DNT erhalten schwangere Ratten mehrmals täglich eine bestimmte Dosis der zu testenden chemischen Substanz. Muttertiere und der Nachwuchs werden dann auf auffällige Verhaltensweisen beobachtet.
Die Arbeitsgruppe um Dr. Daniel Gilbert und Professor Oliver Friedrich vom Lehrstuhl für Medizinische Biotechnologie der FAU arbeiten nun daran, das DNT durch ein In-vitro-Verfahren zu ersetzen. Angestrebt wird ein automatisiertes Verfahren, bei dem die Wirkung von chemischen Substanzen auf Zellen in sehr kurzer Zeit und in sehr großer Anzahl im Reagenzglas – also im Hochdurchsatz – getestet wird.
Proteine für die Zellenkommunikation im Fokus der Forscher
Der zu entwickelnde Test hat zwei Stufen. Die erste Stufe ist die Strukturanalyse der neu gezüchteten Zellen des zentralen Nervensystems aus den menschlichen Stammzellen. In der zweiten Teststufe soll das Testverfahren überprüfen, ob die Substanzen sich giftig auf die Funktionsweise der Nervenzellen auswirken. Im besonderen Fokus der Forscher stehen dabei Proteine, die die Reizweiterleitung zwischen den Zellen kontrollieren. Bei Störungen dieser Kommunikation zwischen den Zellen kann es zu Epilepsien oder Muskelkrämpfen kommen. „Indem wir diese beiden Verfahren, die sonst eigenständig angewendet werden, kombinieren, wollen wir eine zuverlässige Voraussage zur Giftigkeit von chemischen Substanzen ermöglichen“, erklärt Gilbert. „Angesichts der starken Zunahme neurologischer Erkrankungen ist die Entwicklung schnell ablaufender Testreihen zwingend nötig.“
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