Kredit: UC Riverside

Forskere fra University of California, Riverside, er en del af en ambitiøs plan hos det amerikanske miljøbeskyttelsesagentur, EPA, om at afskaffe dyreforsøg inden 2035. Deres bidrag: De har udviklet en metode til at teste, om kemikalier forårsager fødselsdefekter i bevægeapparatet ved hjælp af menneskeligt væv fra laboratorier og ikke levende dyr.

Nicole zur Nieden, der er lektor i molekylær-, celle- og systembiologi, og David Volz, der er lektor i miljøtoksikologi, er begge eksperter i alternativer til lovpligtige toksicitetsforsøg og i kemikaliepolitik og -regulering. De modtog 849.811 dollars til at dyrke menneskelige stamceller til knogleagtigt væv for at teste industri- og miljøkemikalier, der kan forstyrre fostervæksten.

Fødselsdefekter, der påvirker muskuloskeletalt væv, kan skyldes kemiske ingredienser i pesticider, fungicider, maling og fødevaretilsætningsstoffer. Skadelige kemikalier skal identificeres ved hjælp af test for at blive reguleret. I øjeblikket udføres disse test på levende dyr, normalt gnavere som f.eks. mus.

Det UC Riverside-projekt, der ledes af zur Nieden, vil stimulere menneskelige pluripotente stamceller, som har evnen til at udvikle sig til enhver form for celle, med midler, der leder dem til at danne knogleceller. Cellerne vil gennemgå de samme udviklingsstadier og blive udsat for de samme molekylære signaler som i et menneskeligt embryon. Forskerne vil udsætte cellerne for udvalgte kemikalier på kritiske tidspunkter og derefter vurdere dem ved hjælp af avanceret billeddannelse og næste generations sekventeringsteknikker.

Knogleceller kan udvikle sig gennem tre forskellige veje. zur Nieden vil bruge kemikalier, som vides at påvirke specifikke veje i knogleudviklingen, for at se efter mønstre i den måde, hvorpå kemikalierne påvirker disse oprindelser. Mønstrene vil tjene som tegninger til at afprøve ukendte kemikalier. Dernæst vil forskerne teste ukendte kemikalier og sammenligne dem med tidligere sammensatte biblioteker af stoffer, der allerede er blevet testet på dyr, for at se, hvor nøjagtige petriskålen, eller in vitro-testene, er til at vurdere risikoen.

Et kendetegn ved knogledannende celler er, at de laver en knoglematrix af små krystaller kaldet hydroxyapatit, som i sidste ende danner calciumphosphat, det hvide stof på overfladen af alle knogler. En omkostningsbesparende visuel analyse kan hjælpe med at identificere defekter i calcium.

“Calciumkrystaller fremstår hvide, når man ser dem med øjnene,” siger zur Nieden. “Men når man ser kulturerne ved hjælp af fasekontrastmikroskopi, vender det lyset om, så de normale krystaller fremstår sorte. Abnormale krystaller vil have mere hvidt og gråtoner. Man kan bruge en billedanalysealgoritme til at måle sortheden i billederne for at afgøre, om kalken er dannet korrekt eller ej.”

Test uden dyr er allerede almindelige

Videnskabsfolk har længe vidst, at dyr adskiller sig fra mennesker på vigtige udviklingsmæssige og fysiologiske måder, og at resultaterne af dyreforsøg ikke altid er pålidelige for mennesker. Desuden er dyreforsøg dyreforsøg dyrt og tidskrævende og i stigende grad uholdbart af etiske årsager. Alternativer uden dyr har været under udvikling i næsten 25 år, og nogle af dem er allerede standard.

“For den brede offentlighed syntes EPA’s meddelelse at komme ud af ingenting,” sagde Volz, hvis laboratorium vil sekventere messenger RNA i kemisk eksponerede knogleceller fra zur Nieden’s laboratorium for at se efter ændringer i genekspressionen. “Det skete ikke fra den ene dag til den anden. Det tog har allerede forladt stationen.”

Volz sagde, at EPA’s Science to Achieve Results Program, hvorigennem UC Riverside har modtaget den nye bevilling, har finansieret forskning i dyrealternativer i mere end 10 år.

EPA’s plan om at stoppe dyreforsøg inden 2035 følger op på tidligere ændringer af Toxic Substances Control Act, eller TSCA, der blev vedtaget i 1976. TSCA bemyndiger EPA til at regulere kemikalier, der findes i forbrugerprodukter som f.eks. rengøringsmidler, møbler, maling, gulvtæpper, tøj og andre forbrugsgoder. Reguleringen under TSCA gælder ikke for kemikalier i fødevarer, lægemidler, kosmetik og pesticider, som reguleres under andre love.

Selv efter TSCA er tusindvis af almindelige kemikalier, der anvendes i alt fra plastik til solcreme, aldrig blevet testet for deres sikkerhed for mennesker. I 2016 vedtog Kongressen Lautenberg Chemical Safety Act, der ændrer TSCA for at lukke smuthullet for industrikemikalier. Loven gav EPA mandat til at evaluere eksisterende kemikalier med klare og håndhævelige tidsfrister og til at udvikle risikobaserede kemikalievurderinger. Den fremmede brugen af testmetoder uden brug af dyr, hvilket både industrien og dyreværnsgrupper ønskede.

Dyrealternativer kan have begrænsninger

Den nye EPA-plan indeholder en aggressiv tidsplan for at fremskynde udviklingen af testmetoder uden brug af dyr, der præcist kan forudsige toksicitet hos mennesker. Volz sagde, at USA halter bagefter nogle andre lande rundt om i verden, som allerede har reduceret dyreforsøg betydeligt. Han sagde, at han interagerer med færre og færre studerende, der er interesseret i forskning, der involverer dyreforsøg, og at vores kultur er ved at skifte i retning af et ønske om at reducere dyrs lidelser.

Men hverken Volz eller zur Nieden er sikre på, at dyreforsøg nogensinde kan erstattes fuldstændigt, en holdning, der gentages i EPA’s notat, hvori det hedder, at efter 2035 vil dyreforsøg blive godkendt fra sag til sag. Nogle kemikalier er f.eks. ikke direkte giftige for cellerne, men bliver giftige, efter at de er blevet omsat i kroppen.

“Hvis dit resultat er, at kemikaliet ikke forstyrrer en menneskelig stamcelle, der udvikler sig i en skål, hvor sikker kan du så være på, at det ikke virkelig sker i mennesker? Den bedste måde, vi har til at vurdere det på, er et dyreforsøg,” sagde zur Nieden. “Samtidig ønsker vi at gøre dette på en hensigtsmæssig måde. Vi er nødt til at tænke over, om det virkelig er nødvendigt? Kan vi se på spørgsmålet på en anden måde?”

zur Nieden mener, at vi har brug for et system med flere niveauer, hvor in vitro-forsøg sorterer de mest giftige kemikalier fra først, og hvor dyreforsøg anvendes, når in vitro-forsøg ikke afslører toksicitet.

“Hvis man ikke helt kan erstatte et dyreforsøg med en in vitro-metode, kan man i det mindste mindske dyrenes lidelser. Hvis man tænker på et stærkt giftigt kemikalie, der har virkninger på moderen, når hun udsættes for det under graviditeten, samt på de udviklende embryoner, hvis man kan bruge et in vitro-testsystem til at finde alle disse stærkt giftige kemikalier, behøver man ikke at teste dem på et dyr,” sagde hun.

Fremtidige versioner af det testsystem, zur Nieden vil bruge til den nye forskning i muskuloskeletale væv, har været i stand til at identificere embryotoksiske kemikalier for andre væv, såsom hjertevæv, med næsten 100 procents nøjagtighed.