Credit: UC Riverside

Forscher der University of California, Riverside, sind Teil eines ehrgeizigen Plans der US-Umweltschutzbehörde (EPA), Tierversuche bis 2035 abzuschaffen. Ihr Beitrag: Sie haben eine Methode entwickelt, um zu testen, ob Chemikalien Geburtsschäden am Bewegungsapparat verursachen, indem sie im Labor gezüchtetes menschliches Gewebe und keine lebenden Tiere verwenden.

Nicole zur Nieden, außerordentliche Professorin für Molekular-, Zell- und Systembiologie, und David Volz, außerordentlicher Professor für Umwelttoxikologie, sind beide Experten für Alternativen zu behördlichen Toxizitätstests sowie für Chemikalienpolitik und -regulierung. Sie erhielten 849.811 Dollar für die Züchtung menschlicher Stammzellen zu knochenähnlichem Gewebe, um Industrie- und Umweltchemikalien zu testen, die das fötale Wachstum beeinträchtigen könnten.

Geburtsfehler, die das Muskel-Skelett-Gewebe betreffen, können durch chemische Inhaltsstoffe in Pestiziden, Fungiziden, Farben und Lebensmittelzusatzstoffen verursacht werden. Schädliche Chemikalien müssen durch Tests identifiziert werden, um reguliert werden zu können. Derzeit werden diese Tests an lebenden Tieren, in der Regel Nagetieren wie Mäusen, durchgeführt.

Das von zur Nieden geleitete Projekt der UC Riverside wird menschliche pluripotente Stammzellen, die sich zu jeder Art von Zelle entwickeln können, mit Wirkstoffen stimulieren, die sie zur Bildung von Knochenzellen veranlassen. Die Zellen werden die gleichen Entwicklungsstadien durchlaufen und den gleichen molekularen Einflüssen ausgesetzt sein wie ein menschlicher Embryo. Die Forscher werden die Zellen an kritischen Punkten ausgewählten Chemikalien aussetzen und sie dann mit Hilfe fortschrittlicher Bildgebungs- und Next-Generation-Sequenzierungstechniken untersuchen.

Knochenzellen können sich auf drei verschiedenen Wegen entwickeln. zur Nieden wird Chemikalien verwenden, von denen bekannt ist, dass sie bestimmte Wege der Knochenentwicklung beeinflussen, um nach Mustern zu suchen, wie die Chemikalien diese Ursprünge beeinflussen. Diese Muster werden als Vorlage für die Prüfung unbekannter Chemikalien dienen. Als Nächstes werden die Forscher unbekannte Chemikalien testen und sie mit zuvor zusammengestellten Bibliotheken von Verbindungen vergleichen, die bereits an Tieren getestet wurden, um zu sehen, wie genau die Petrischalen- oder In-vitro-Tests bei der Risikobewertung sind.

Ein charakteristisches Merkmal knochenbildender Zellen ist, dass sie eine Knochenmatrix aus kleinen Kristallen namens Hydroxylapatit bilden, die schließlich Kalziumphosphat bilden, das weiße Material auf der Oberfläche aller Knochen. Eine kostensparende visuelle Analyse kann helfen, Kalziumdefekte zu erkennen.

„Kalziumkristalle erscheinen weiß, wenn man sie mit den Augen betrachtet“, sagt zur Nieden. „Aber wenn man die Kulturen mit der Phasenkontrastmikroskopie betrachtet, wird das Licht umgekehrt, so dass die normalen Kristalle schwarz erscheinen. Abnormale Kristalle haben mehr Weiß und Grautöne. Mit einem Bildanalysealgorithmus kann man die Schwärze in den Bildern messen, um festzustellen, ob sich das Kalzium richtig gebildet hat oder nicht.“

Tests ohne Tiere sind bereits gang und gäbe

Wissenschaftler wissen seit langem, dass sich Tiere in wichtigen entwicklungsbiologischen und physiologischen Aspekten vom Menschen unterscheiden und dass die Ergebnisse von Tierversuchen für Menschen nicht immer zuverlässig sind. Außerdem sind Tierversuche teuer und zeitaufwändig und aus ethischen Gründen zunehmend unhaltbar. Alternativen ohne Tierversuche werden seit fast 25 Jahren entwickelt, und einige sind bereits Standard.

„Für die Öffentlichkeit schien die Ankündigung der EPA aus dem Nichts zu kommen“, sagte Volz, dessen Labor Boten-RNA in chemikalienexponierten Knochenzellen aus dem Labor von zur Nieden sequenzieren wird, um nach Veränderungen in der Genexpression zu suchen. „Das ist nicht über Nacht passiert. Dieser Zug ist bereits abgefahren.“

Volz sagte, dass das EPA’s Science to Achieve Results Program, durch das die UC Riverside den neuen Zuschuss erhalten hat, seit mehr als 10 Jahren Forschung zu Tierversuchsalternativen finanziert.

Der Plan der EPA, Tierversuche bis 2035 zu beenden, folgt auf frühere Änderungen des Toxic Substances Control Act (TSCA), der 1976 erlassen wurde. Das TSCA ermächtigt die EPA, Chemikalien zu regulieren, die in Konsumgütern wie Reinigungsmitteln, Möbeln, Farben, Teppichen, Kleidung und anderen Konsumgütern enthalten sind. Die Regulierung im Rahmen des TSCA gilt nicht für Chemikalien in Lebensmitteln, Arzneimitteln, Kosmetika und Pestiziden, für die andere Gesetze gelten.

Auch nach dem TSCA wurden Tausende gängiger Chemikalien, die in allen möglichen Produkten von Kunststoffen bis hin zu Sonnenschutzmitteln verwendet werden, nie auf ihre Sicherheit beim Menschen getestet. Im Jahr 2016 verabschiedete der Kongress den Lautenberg Chemical Safety Act, mit dem das TSCA geändert wurde, um das Schlupfloch für Industriechemikalien zu schließen. Das Gesetz verpflichtete die EPA, bestehende Chemikalien mit klaren und durchsetzbaren Fristen zu bewerten und risikobasierte Chemikalienbewertungen zu entwickeln. Es förderte die Verwendung von Testmethoden ohne Tierversuche, ein Schritt, der sowohl von der Industrie als auch von Tierschutzgruppen gefordert wurde.

Alternativen zu Tierversuchen könnten ihre Grenzen haben

Der neue Plan der EPA sieht einen aggressiven Zeitplan für die Beschleunigung der Entwicklung von Tests ohne Tierversuche vor, die die Toxizität beim Menschen genau vorhersagen können. Volz sagte, dass die Vereinigten Staaten hinter einigen anderen Ländern auf der Welt zurückbleiben, die Tierversuche bereits stark reduziert haben. Er sagte, dass er mit immer weniger Studenten zu tun hat, die sich für die Forschung mit Tierversuchen interessieren, und dass sich unsere Kultur in Richtung des Wunsches verschiebt, das Leiden der Tiere zu verringern.

Aber weder Volz noch zur Nieden sind sicher, dass Tierversuche jemals vollständig ersetzt werden können, eine Position, die in dem EPA-Memo aufgegriffen wird, in dem es heißt, dass Tierversuche nach 2035 von Fall zu Fall genehmigt werden. Einige Chemikalien sind beispielsweise nicht direkt zelltoxisch, sondern werden erst toxisch, wenn sie im Körper verstoffwechselt werden.

„Wenn Ihr Ergebnis ist, dass die Chemikalie die Entwicklung einer menschlichen Stammzelle in einer Schale nicht beeinträchtigt, wie sicher können Sie dann sein, dass dies nicht auch beim Menschen der Fall ist? Die beste Möglichkeit, das zu beurteilen, ist ein Tierversuch“, sagte zur Nieden. „Gleichzeitig wollen wir dies auf eine angemessene Weise tun. Wir müssen darüber nachdenken, ob dies wirklich notwendig ist.

Zur Nieden ist der Meinung, dass wir ein abgestuftes System brauchen, bei dem In-vitro-Tests die giftigsten Chemikalien zuerst aussortieren und Tierversuche eingesetzt werden, wenn In-vitro-Tests keine Toxizität aufzeigen.

„Wenn man einen Tierversuch nicht vollständig durch eine In-vitro-Methode ersetzen kann, kann man zumindest das Leiden der Tiere verringern. Wenn man an eine hochgiftige Chemikalie denkt, die Auswirkungen auf die Mutter hat, wenn sie während der Schwangerschaft exponiert ist, sowie auf die sich entwickelnden Embryonen, wenn man ein In-vitro-Testsystem verwenden kann, um all diese hochgiftigen Chemikalien zu finden, braucht man sie nicht an einem Tier zu testen“, sagte sie.

Vorherige Versionen des Testsystems, das zur Nieden für die neue Muskel-Skelett-Forschung verwenden wird, waren in der Lage, embryotoxische Chemikalien für andere Gewebe, wie z. B. Herzgewebe, mit fast 100-prozentiger Genauigkeit zu identifizieren.