Credit: UC Riverside

Kalifornian yliopistossa Riversidessa työskentelevät tutkijat ovat osa Yhdysvaltain ympäristöviraston eli EPA:n kunnianhimoista suunnitelmaa, jonka tavoitteena on eläinkokeiden lopettaminen vuoteen 2035 mennessä. Heidän panoksensa: he kehittivät tavan testata, aiheuttavatko kemikaalit tuki- ja liikuntaelimistön synnynnäisiä epämuodostumia laboratoriossa kasvatetulla ihmiskudoksella, ei elävillä eläimillä.

Molekyyli-, solu- ja systeemibiologian apulaisprofessori Nicole zur Nieden ja ympäristötoksikologian apulaisprofessori David Volz ovat kumpikin asiantuntijoita lakisääteisen myrkyllisyystestauksen vaihtoehdoissa sekä kemikaalien politiikkaan ja sääntelyyn liittyvissä kysymyksissä. He saivat 849 811 dollaria kasvattaakseen ihmisen kantasoluja luun kaltaiseksi kudokseksi testatakseen teollisuus- ja ympäristökemikaaleja, jotka saattavat häiritä sikiön kasvua.

Synnynnäiset epämuodostumat, jotka vaikuttavat tuki- ja liikuntaelimistön kudoksiin, voivat johtua torjunta-aineiden, sienitautien torjunta-aineiden, maalien ja elintarvikkeiden lisäaineiden kemiallisista ainesosista. Haitalliset kemikaalit on tunnistettava testaamalla, jotta niitä voidaan säännellä. Tällä hetkellä nämä testit tehdään elävillä eläimillä, yleensä jyrsijöillä, kuten hiirillä.

Zur Niedenin johtamassa UC Riverside -hankkeessa stimuloidaan ihmisen pluripotentteja kantasoluja, joilla on kyky kehittyä millaisiksi tahansa soluiksi hyvänsä, aineilla, jotka ohjaavat niitä muodostamaan luusoluja. Solut käyvät läpi samat kehitysvaiheet ja niihin kohdistuu samoja molekyyliohjeita kuin ihmisalkioon. Tutkijat altistavat solut valituille kemikaaleille kriittisissä kohdissa ja arvioivat niitä sitten kehittyneillä kuvantamis- ja seuraavan sukupolven sekvensointitekniikoilla.

Luusolut voivat kehittyä kolmea eri reittiä pitkin. zur Nieden käyttää kemikaaleja, joiden tiedetään vaikuttavan tiettyihin luun kehittymisen reitteihin, etsiäkseen malleja siinä, miten kemikaalit vaikuttavat näihin alkuperiin. Mallit toimivat pohjapiirroksina tuntemattomien kemikaalien testaamiselle. Seuraavaksi tutkijat testaavat tuntemattomia kemikaaleja ja vertaavat niitä aiemmin koottuihin yhdistekirjastoihin, joita on jo testattu eläimillä, nähdäkseen, kuinka tarkkoja petrimalja eli in vitro -testit ovat riskien arvioinnissa.

Luuta muodostaville soluille on tunnusomaista, että ne muodostavat luun matriisin pienistä kiteistä, joita kutsutaan nimellä hydroksiapatiitti ja jotka lopulta muodostavat kalsiumfosfaattia, sitä valkoista ainetta, joka on kaikkien luiden pinnalla. Kustannuksia säästävä visuaalinen analyysi voi auttaa tunnistamaan kalsiumvirheet.

”Kalsiumkiteet näyttävät valkoisilta, kun niitä katsoo silmillä”, zur Nieden sanoo. ”Mutta kun viljelmiä tarkastellaan faasikontrastimikroskopialla, se kääntää valon niin, että normaalit kiteet näyttävät mustilta. Epänormaaleissa kiteissä on enemmän valkoista ja harmaan sävyjä. Voit käyttää kuva-analyysialgoritmia mittaamaan kuvien mustuutta ja päättelemään, onko kalsium muodostunut oikein vai ei.”

Ei eläinkokeet ovat jo arkipäivää

Tutkijat ovat jo pitkään tienneet, että eläimet eroavat ihmisistä tärkeillä kehityspoliittisilla ja fysiologisilla tavoilla, eivätkä eläinkokeiden testien tulokset ole aina luotettavia ihmisiä varten. Lisäksi eläinkokeet ovat kalliita ja aikaa vieviä sekä eettisistä syistä yhä kestämättömämpiä. Vaihtoehtoja, joissa ei käytetä eläimiä, on kehitetty lähes 25 vuotta, ja jotkut niistä ovat jo vakiintuneet.

”Suurelle yleisölle EPA:n ilmoitus näytti tulevan tyhjästä”, sanoi Volz, jonka laboratorio sekvensoi sanansaattajien RNA:ta zür Niedenin laboratoriosta peräisin olevista kemikaaleille altistuneista luusoluista etsiäkseen muutoksia geenien ilmentymisessä. ”Se ei tapahtunut yhdessä yössä. Se juna on jo lähtenyt asemalta.”

Volz sanoi, että EPA:n Science to Achieve Results -ohjelma, jonka kautta UC Riverside sai uuden apurahan, on rahoittanut eläinkokeiden vaihtoehtoja koskevaa tutkimusta yli 10 vuoden ajan.

EPA:n suunnitelma lopettaa eläinkokeet vuoteen 2035 mennessä on jatkoa aiemmille muutoksille, jotka on tehty vuonna 1976 voimaan tulleeseen toksisten aineiden valvontaa koskevaan lakiin (Toxic Substances Control Act, TSCA). TSCA valtuuttaa EPA:n sääntelemään kemikaaleja, joita esiintyy kuluttajatuotteissa, kuten puhdistusaineissa, huonekaluissa, maaleissa, matoissa, vaatteissa ja muissa kulutustavaroissa. TSCA:n mukainen sääntely ei koske elintarvikkeissa, lääkkeissä, kosmetiikassa ja torjunta-aineissa olevia kemikaaleja, joita säännellään eri laeilla.

TSCA:n jälkeenkin tuhansia tavallisia kemikaaleja, joita käytetään muovista aurinkorasvoihin, ei ole koskaan testattu niiden turvallisuudesta ihmisillä. Vuonna 2016 kongressi hyväksyi Lautenbergin kemikaaliturvallisuuslain (Lautenberg Chemical Safety Act), jolla muutettiin TSCA:ta teollisuuskemikaaleja koskevan porsaanreiän sulkemiseksi. Laki velvoitti EPA:n arvioimaan olemassa olevia kemikaaleja selkeillä ja täytäntöönpanokelpoisilla määräajoilla ja kehittämään riskiperusteisia kemikaaliarviointeja. Se edisti eläinkokeettomien testausmenetelmien käyttöä, mihin sekä teollisuus että eläinoikeusryhmät pyrkivät.

Eläinvaihtoehdoilla voi olla rajansa

Uudessa EPA:n suunnitelmassa esitetään aggressiivinen aikataulu sellaisten eläinkokeettomien testien kehittämiseksi, jotka pystyvät ennustamaan myrkyllisyyden ihmisessä tarkasti. Volzin mukaan Yhdysvallat on jäljessä joistakin muista maailman maista, jotka ovat jo vähentäneet eläinkokeita huomattavasti. Hän sanoi olevansa tekemisissä yhä harvempien opiskelijoiden kanssa, jotka ovat kiinnostuneita eläinkokeita sisältävästä tutkimuksesta, ja että kulttuurimme on siirtymässä kohti halua vähentää eläinten kärsimystä.

Volz ja zur Nieden eivät kuitenkaan ole varmoja siitä, että eläinkokeet voidaan koskaan korvata kokonaan, ja tämä kanta toistuu EPA:n muistiossa, jossa todetaan, että vuoden 2035 jälkeen eläinkokeet hyväksytään tapauskohtaisesti. Jotkin kemikaalit eivät esimerkiksi ole suoraan myrkyllisiä soluille, vaan niistä tulee myrkyllisiä sen jälkeen, kun ne ovat metaboloituneet elimistössä.

”Jos tuloksesi on, että kemikaali ei häiritse ihmisen kantasolujen kehittymistä maljassa, kuinka varma voit olla siitä, että sitä ei todella tapahdu ihmisessä? Paras tapa, jolla voimme arvioida sen, on eläinkoe”, zur Nieden sanoi. ”Samaan aikaan haluamme tehdä tämän asianmukaisella tavalla. Meidän on mietittävä, onko tämä todella tarpeellista? Voimmeko tarkastella kysymystä jollakin muulla tavalla?”

zur Niedenin mielestä tarvitsemme porrastetun järjestelmän, jossa in vitro -kokeet karsivat ensin kaikkein myrkyllisimmät kemikaalit ja eläinkokeita käytetään silloin, kun in vitro -kokeet eivät paljasta myrkyllisyyttä.

”Jos eläinkokeita ei voida korvata täysin in vitro -menetelmällä, eläimen kärsimystä voidaan ainakin vähentää. Jos ajatellaan erittäin myrkyllistä kemikaalia, jolla on vaikutuksia äitiin, kun hän altistuu raskauden aikana, sekä kehittyviin alkioihin, jos in vitro -testijärjestelmän avulla voidaan löytää kaikki nämä voimakkaasti myrkylliset kemikaalit, niitä ei tarvitse testata eläimellä”, hän sanoi.

Varhemmat versiot testijärjestelmästä, jota zur Nieden käyttää uudessa tuki- ja liikuntaelimistön tutkimuksessa, ovat kyenneet tunnistamaan alkioille myrkyllisiä kemikaaleja muissa kudoksissa, kuten sydänkudoksessa, lähes sataprosenttisella tarkkuudella.