Tierversuchsfreie Forschung

Schon unter Menschen gibt es große Unterschiede, so treten bspw. nicht alle Nebenwirkungen von Medikamenten bei allen Menschen auf. Die Erforschung von Krankheiten und neuen Medikamenten sowie die Überprüfung der Giftigkeit von Substanzen kann nur sehr unzureichend an Tieren erforscht werden. Viele Tiere werden einzig für einen Versuch künstlich krank gemacht und viele Faktoren der Krankheitsentstehung werden nicht berücksichtigt, ebenso die unzureichende Übertragbarkeit der Ergebnisse vom Tier auf den Menschen. Um zutreffende Erkenntnisse über bspw. die Wirkung von Medikamenten und die Giftigkeit von Substanzen zu erhalten, wurden daher tierversuchsfreie Forschungsmethoden entwickelt oder finden sich in der Entwicklung.

Vorteile tierversuchsfreier Forschungsmethoden

  • schnelle Durchführung
  • zuverlässige Ergebnisse
  • auf den Menschen übertragbar
  • kostengünstig
  • ethisch unangreifbar

Internationale Ebene

Auf internationaler Ebene forschen immer mehr Wissenschaftler mit modernen tierversuchsfreien Methoden oder entwickeln diese weiter. In vielen Bereichen setzen sich tierversuchsfreie Methoden durch. Insbesondere die risikofreie und zuverlässige Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen auf den Menschen ist ein schlagkräftiges Argument für tierversuchsfreie Forschungsmethoden. Obwohl diese Forschungsmethoden  keine gleichwertigen Mittelzuwendungen und Prestige erfahren, haben Forscher beachtliche Erfolge erzielt.

USA

Besonder hervorzuheben sind die USA. Durch die anerkannte Unzuverlässigkeit der Ergebnisse aus Tierversuchen haben sich tierversuchsfreie Methoden bisher in den USA deutlich besser durchgesetzt als in Europa oder Deutschland. Man setzt dort verstärkt auf Humandaten, um die Sicherheit für den Menschen weit möglichst zu gewährleisten.

Holland prescht voran

Bis 2025 will Holland alle gesetzlich vorgeschriebenen Tierversuche abschaffen und modernste Methoden anwenden. Der Fokus  der angewandten  Forschung soll auf „menschliche“ Modelle“ gelegt werden. Ein Paradigmenwechsel für alle anderen Bereiche ist in einem Plan gefordert.

Validierung – erfolgversprechend und ausgebremst

Zahlreiche Reglungen auf nationaler und internationaler Ebene schreiben Tierversuche vor. Damit also ein tierversuchsfreies Verfahren als Testmethode für z.B. einen Giftigkeitstest von Chemiaklien eingesetzt werden kann, sodass ein Unternehmen seine Produkte weltweit verkaufen darf, muss diese Testmethode in diese Rechtsvorschriften und Richtlinien aufgenommen werden. Sie muss also eine Validierung durchlaufen.

Dieser Prozess kann 10-15 Jahre dauern und ist sehr kostenintensiv. Aufgrund der mangelnde Förderung und Finanzierung tierversuchsfreier Forschungsmethoden bedeutet dies of das Aus.

Einige tierversuchsfreie Forschungsmethoden

Um zum Beispiel die Giftigkeit einer Substanz zu überprüfen, werden die Zellen oder Zellkulturen der Substanz ausgesetzt. Dann werden die Stoffwechselprozesse, die in den Zellen stattgefunden haben, auf verschiedene Weise untersucht. Mittels einer Analyse der Zell-DNA und dem Vergleich von behandelten und unbehandelten Zellen kann beispielsweise festgestellt werden, ob der Stoff genetische Veränderungen wie Mutationen hervorruft.

Zur Untersuchung des Einflusses von Entzündungsprozessen auf die künstlich nachgebildete Darmschleimhaut wurde eine Zelllinie zusammen mit Abwehrzellen in einer Bindegewebsschicht kultiviert. Anhand eines entzündungsauslösenden Stoffes ließ sich u.a. nachweisen, dass das Zellkultursystem Entzündungssymptome zeigte. Das Modell kann auch zum Testen von Medikamenten genutzt werden.

Es gibt auch Ersatzverfahren, die ohne den Umweg über ein Zellkulturenmodell funktionieren. In der Immunologie wird beispielsweise mit dem „PyroDetect-System“ gearbeitet. Dabei wird an menschlichem Blut getestet, ob sich an oder in medizinischen Produkten Bestandteile gefährlicher fieberauslösender Substanzen befinden. Grundmechanismus ist die angeborene menschliche Immunreaktion auf Fremdkörper, die eine Abwehrreaktion auslöst. Als Nachweis dient der in den Abwehrzellen befindliche Botenstoff.

Der Begriff „in silico“ ist angelehnt an das lateinische Wort „silicio“ (Silicium) und beschreibt computergestützte Methoden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Datenbanken, die u.a. Informationen aus bereits durchgeführten Giftigkeitsprüfungen enthalten sowie Simulationsabläufe zur Vorhersage der untersuchten Eigenschaften eines Stoffes. Die sogenannten Metadatenbanken sind zum Teil frei im Internet verfügbar. Ein gutes Beispiel ist das Computer-Vorhersagemodell „VirtualToxLab“, mit dem sich potentielle Störungen des Hormonhaushalts, des Stoffwechsels oder die krebsauslösende Wirkung von Substanzen vorhersagen lassen.

Ein bekanntes und sehr ehrgeiziges Projekt ist das „Human Brain Project“, an dem 13 europäische Forschungseinrichtungen aus neun Ländern arbeiten. Dabei soll mit Hilfe von Computersimulationen die Arbeit des kompletten menschlichen Gehirns nachgestellt werden. Die Forscher konstruieren dabei die Strukturen virtuell auf Basis von Daten, die am lebenden Gewebe gesammelt wurden. 

Ein anderes interessantes Verfahren ist die dreidimensionale Konstruktion eines Organmodells, das die natürlichen Bedingungen der Lunge im Menschen simuliert. Dabei kann sogar asthmatisches oder geschädigtes Gewebe nachgebildet werden, um neue Medikamente zu testen.

Beim Microdosing erhalten freiwillige Testpersonen winzige Mengen einer Testsubstanz, die keinerlei Wirkung im Körper hat. Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung der Testsubstanz können mit hochempfindlichen Methoden gemessen werden.

Modernste Techniken erlauben die Schaffung eines künstlichen Körpers, der das menschliche Stoffwechselsystem lebensecht nachstellt. Auf einem nur wenige Zentimeter großen Mikrochip werden Kammern angebracht, die mit lebenden Zellen ausgekleidet sind und so die Organe in Miniformat bilden.

Über kleine Schläuche wird das System mit Nährflüssigkeit durchströmt und die Zugabe von potentiellen Medikamenten oder Chemikalien erlaubt Rückschlüsse über die Vorgänge im menschlichen Körper, beispielsweise ob giftige Abbauprodukte entstehen oder schädliche Nebenwirkungen zu erwarten sind. Auch Krankheiten und mögliche Therapiemöglichkeiten lassen sich so erforschen, indem beispielsweise die Miniorgane mit Krebszellen besiedelt werden.

Die Zellen stammen aus medizinisch notwendigen Operationen bei Menschen. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe von Chips mit einzelnen Organen, die unter anderem die gezielte Untersuchung der Wirkweise einer Substanz auf die Haut erlauben sowie Multi-Organ-Systeme, die eine Reihe von Organen wie in einem lebenden System vereinen („Human on a chip“) und Aufschluss über das Zusammenspiel der Organe und Abbauprodukte bei der Verstoffwechslung geben.

Am Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften, dem Leibniz-Institut für Arbeitsforschung und der Universität Dortmund haben Wissenschaftler ein Nervennetz auf einem Biochip entwickelt. Neuronen bilden auch in einer Zellkultur Fortsätze, um miteinander in Kontakt zu treten. Diese Vernetzungsvorgänge sind maßgebend für die Fähigkeit, sich zu erinnern und zu lernen. Stoffe, die bei Neuronen die Vernetzung behindern, bewirken unter anderem Gedächtnisstörungen. Auf dem Biochip wachsen die Neuronen in sechseckigen Silikongittern und die Anzahl und Länge der gebildeten Zellfortsätze lässt sich in einem automatisierten Verfahren auswerten.

Wissenschaftler der Harvard Universität, USA, haben in einem System aus winzigen Mikrokanälchen aus flexiblem Kunststoff menschliche Lungenzellen angesiedelt. Die Kanälchen lassen sich durch ein Vakuum strecken, was die natürliche Atmungsbewegung der Lungenbläschen simuliert. Eine Testsubstanz wie beispielsweise ein Nanopartikel aus Siliziumoxid wird mit einem Luftstrom in das System geleitet, um den Übergang von Substanzen in der Atemluft in die Lungenbläschen nachzustellen.

Weiter wird ein Herz-Lungen-Modell entwickelt, das es ermöglicht, pharmakologische Substanzprüfungen besonders effizient durchzuführen. Hierbei werden Techniken aus der Computerindustrie mit Verfahren des Tissue Engineering, mit dem dreidimensionales Gewebe konstruiert wird, miteinander verknüpft und die physiologischen Funktionen einer atmenden Lunge und eines schlagenden Herzens realistisch simuliert.

Eine vollautomatische Untersuchungsmöglichkeit von Kosmetika auf die Haut haben Wissenschaftler der FH Jena entwickelt. Auf dem Chip werden menschliche Hautzellen angesiedelt. Mit elektrochemischen Methoden und mit Hilfe einer Kamera wird gemessen, wie die Zellen auf eingeschleuste giftige oder reizende Substanzen reagieren.

Im Rahmen des Projektes „FASREST“ der FH Jena wurde ein Chip-System konstruiert, an dem pflanzliche Kosmetikinhaltsstoffe getestet werden können. Durch kleine Schläuche werden Pflanzenextrakte auf die auf dem Chip aufgetragenen Hautzellen gegeben. Nach zwei Tagen wird ausgewertet, ob die Testsubstanz eine reizende Wirkung hat, allergische Reaktionen auslösen kann oder giftig ist. Hierfür wird anhand von elektrochemischen Untersuchungen in Kombination mit Beobachtungen durch eine Kamera das Ausmaß des Schadens bewertet, den die Zellen genommen haben.

Koreanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, die Zellen von Nierentubuli in vitro wachsen zu lassen. Die Nierentubuli sind dünne Röhren in den Nierenkörperchen, die das Blut filtern und den Harn produzieren. Diese Funktion behalten die Zellen auch in der dreidimensionalen Anordnung auf einem Chip bei. Die Zellen werden mit einer Flüssigkeit durchströmt und filtern sie durch eine Membran. So kann erforscht werden, ob und wie die Nierenzellen Wirkstoffe ausscheiden. Für den Prototyp wurden allerdings Rattenzellen verwendet. Aus ethischen Gründen und aufgrund der klinischen Relevanz wären hier Tests mit menschlichen Nierenzellen angebracht und zielführend.

Kanadische Wissenschaftler haben auf einem Mikrochip kleine Arterienabschnitte langzeitkultiviert. Das System eignet sich zur Überprüfung von herz- und kreislaufwirksamen Medikamenten und es kann automatisiert werden, d.h. eine große Anzahl potentieller Wirkstoffe kann in kürzester Zeit durchgetestet werden. Zu kritisieren ist auch hier, dass Blutgefäße von Mäusen verwendet wurden, was aus ethischen und wissenschaftlichen Gründen abzulehnen ist. Der Einsatz von menschlichen Blutkapillaren wäre dagegen sinnvoll.

Forscher des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard-Universität in Boston, Massachusetts, USA, haben einen menschlichen Minidarm entwickelt. Das Chip-System besteht aus kleinen Schläuchen, die innen mit menschlichen Dünndarmzellen ausgekleidet werden. Außen fließt eine Flüssigkeit vorbei, die das Blut in den kleinen Blutgefäßen des Darms simuliert. Im Darmlumen werden Bakterien der menschlichen Darmflora angesiedelt, die bei der Verstoffwechslung von Substanzen und der Entstehung vieler Krankheiten eine bedeutende Rolle spielen. Mittels einer Vakuumpumpe werden die Schläuche gestreckt und gestaucht, um die Darmperistaltik nachzuahmen. Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Behandlungsmöglichkeiten können so erforscht werden.

An der Technischen Universität Berlin haben Wissenschaftler in Kooperation mit Tissues Doppelorganchips aus Haut und Leber oder aus Leber- und Nervengewebe entwickelt sowie einen Vier-Organ-Chip, der aus Darm, Leber, Niere und Haut besteht und einen Sieben-Organ-Chip. Auf diesen Modellen können Zellen aus u.a. Leber, Verdauungstrakt, Gefäßsystem, Haut, neuronalem Gewebe, Niere und Haarfollikel angesiedelt werden. Die menschlichen Organe werden um den Faktor 100.000 verkleinert und mit dem Blutkreislauf in die richtige Relation gesetzt, sodass eine systemische Beobachtung toxischer Wirkungen an einem humanen Modell möglich ist.

Derzeit werden ein Modell für Haare und Zähne sowie ein 10-Organ-Chip entwickelt. Künftig soll durch die Verwendung von Zellen männlicher und weiblicher Patienten noch realitätsnähere Forschung betrieben werden.

Jüngste Forschungen des University of Oxford’s Department of Computer Science zeigen, dass Computermodelle menschlicher Herzzellen bei der Vorhersage unerwünschter Effekte eine sehr viel höhere Genauigkeit (89-96%) als Tierversuche versprechen.

Wissenschaftler der Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health aus Maryland/USA haben einen lernenden Algorithmus entwickelt, der laut Studie die Giftigkeit neuer Chemikalien besser vorhersagen kann als Tierversuche. Dafür haben die Forscher eine Karte mit bekannten Chemikalien erstellt, in der chemische Strukturen mit ihren toxischen Eigenschaften verbunden wurden. Mit dieser Simulation war es im Versuch möglich, die Toxität von unbekannten chemikalischen Verbindungen vorauszusagen. Mehr Informationen finden Sie hier → Computeralgorithmus soll toxikologische Tierversuche überflüssig machen

Umdenken und handeln

Um tierversuchsfreie Forschung als gängigen Ansatz zu etablieren, benötigt es sowohl wirtschaftliche wie politische Elemente:

  • drastische Reduzierung der Mittelbereitstellung für Tierversuche
  • finanzielle Anreize/ Mittelbereitstellung zugunsten tierversuchsfreier Forschung und deren Validierung
  • tierversuchsfreie Lehrmethoden statt Tierverbrauch in  Aus- , Fort- , und Weiterbildung
  • Etablierung von Lehrstühlen tierversuchsfreier Forschung an allen relevanten Hochschulen

als auch sozio-kulturelle Veränderungen:

  • Tierversuche als Missbrauch der Tiere zu erkennen und als ethisch nicht vertretbar zu beenden
  • Wertschätzung der tierversuchsfreien Forschung sowohl im Studium als auch in der Forschung
  • Validierung von tierversuchsfreien  Methoden ohne den Vergleich mit Ergebnissen aus Tierversuchen

Mehr Informationen zum Thema finden Sie in unserer Literaturliste.